Dennis Overbye / New York Times
Modele DNA. Fot. Getty Images/FPM
W leżącym tuż nad Pacyfikiem laboratorium, w San Diego, zespół badaczy próbuje stworzyć w wypełnionej cieczą probówce nieznane nam życie.
Naukowcy i fani science fiction przez wiele dziesięcioleci byli przekonani, że do pierwszego kontaktu ludzi z obcymi formami życia dojdzie na jednej z czerwonych marsjańskich wydm, albo za sprawą tajemniczego sygnału radiowego nadanego z dalekiej planety.
To przełomowe wydarzenie może mieć miejsce już całkiem niedługo, ale na Ziemi, tak twierdzi grupa chemików i biologów. Przy użyciu narzędzi nowoczesnej genetyki starają się oni wykrzesać ową Frankensteinowską iskrę, która pozwoli przeskoczyć przepaść między nieożywioną a ożywioną materią. Zapowiadają, że zbliża się dzień, w którym substancje w probówce ożyją.
Gerald F. Joyce, profesor Scripps Research Institute w San Diego, w pewnym sensie przekroczył już tę granicę, choć sam podkreśla, że jeszcze sporo brakuje mu do sukcesu.
lBiolodzy nie są zgodni co do definicji życia, a wręcz mają wątpliwości, czy jest ona potrzebna. Większość z nich wskazuje jednak, że podstawową cechą organizmów żywych jest zdolność do ewolucji i adaptacji. Badacze zgadzają się też, że odkrycie innego rodzaju życia pozwoliłby dowiedzieć się więcej o jego genezie i właściwościach, jak również nauczyć nas rozpoznawać życie w trakcie eksploracji wszechświata.
- Cała nasza wiedza o życiu opiera się na badaniach prowadzonych na Ziemi - podkreśla Chris McKay, badacz z Ames Research Laboratory NASA w Mountain View w Kalifornii.
- Denerwuje mnie, kiedy astronomowie mówią: „Wszechświat z pewnością roi się od żywych organizmów” - przyznaje Joyce. - Jeżeli istnieje planeta podobna do Ziemi, to jakie są szanse, że powstało na niej życie? Jedna na milion? Czy może 50 procent? Nie wiem, jak można to wyliczyć.
- Gdybyśmy znali przykład innego życia, nawet syntetycznego - dodaje - wiedzielibyśmy dużo więcej. Liczę, że właśnie takie życie stworzymy.
Cztery lata temu Joyce wraz z magistrantką Tracey A. Lincoln, pracującą obecnie w Medical School na University of Massachusetts, wyhodowali w probówce cząsteczkę, która była w stanie sama się replikować i ewoluować, zastępując raz po raz swoje naprędce sklecone geny, dopóki była karmiona odpowiednimi, starannie przygotowanymi składnikami.
W artykule w wydawanym przez laboratorium Joyce'a biuletynie nazwano ją „nieśmiertelną cząstką”. Molekuła Joyce'a to forma RNA, czyli kwasu rybonukleinowego, który w Znanym Nam Życiu odgrywa rolę wiernego adiutanta DNA, składając białka zgodnie z zakodowanym w DNA wzorem. Ani RNA, ani DNA samo w sobie nie jest żywe, podobnie jak i inne związki chemiczne, takie jak wybielacze czy białka. Ale specjalnie zaprogramowana cząsteczka RNA w probówce Joyce'a bliska była spełnienia kryteriów typowych dla żywych istot, jako że nieustannie mnożyła się i ewoluowała.
Jednak, jak podkreśla Joyce, „oczekiwalibyśmy od naszych cząsteczek więcej, niż tylko replikacji”. Reprodukcja to cecha każdego żywego organizmu, wyjaśnia profesor, ale te ziemskie wypracowały szereg spektakularnych sztuczek zwiększających szanse powodzenia - wszystko od pawich piór po śpiew waleni. Cząsteczki Joyce'a nie zaskoczyły go jeszcze żadną innowacją, molekularnym odpowiednikiem skomponowania popowego przeboju.
Joyce przewiduje jednak, że to tylko kwestia czasu. - Naszym zadaniem jest zapewnienie im dogodnych warunków - mówi.
Konsekwencje stworzenia życia w probówce mogą być intelektualnie fascynujące, choć wciąż trudno je sobie wyobrazić. Odkryciu temu nie będą raczej towarzyszyć sceny rodem z science fiction - tak twierdzą przeczuleni zwykle na tym punkcie naukowcy, dodając, że nie nikt im nie płaci za spekulacje. Żaden zarazek nie wyskoczy z szalki Petriego i nie zadzwoni do domu, ani też nie zamieni studentów w zombie. Biorąc pod uwagę nasze zamiłowanie do sporów oraz typową dla naukowców powściągliwość, może upłynąć wiele lat, zanim wszyscy uznają, że faktycznie dokonano przełomu.
- Nauczenie się wytwarzania syntetycznego życia będzie miało epokowe znaczenie, podobnie jak wynalezienie rolnictwa czy metalurgii - podkreśla Freeman Dyson, matematyk i fizyk z Institute for Advanced Study na Princeton. - Nikt jeszcze nie potrafi przewidzieć, co z tego wyjdzie.
Wszelkie znane nam życie na Ziemi bazuje na DNA, organicznym związku chemicznym zawierającym instrukcje dotyczące produkcji i funkcjonowania żywych komórek, zakodowane przy pomocy czteroliterowego alfabetu na podwójnej helisie.
Jeżeli chodzi o hipotetyczne inne życie, możliwości są praktycznie nieograniczone. Mogłoby ono opierać się na DNA wykorzystującym inny kod genetyczny lub inną liczbę literek; niewykluczone, że bazowałoby na związku innym niż DNA, nie tylko na 20 aminokwasach, z których zbudowane są nasze białka. Być może nawet byłoby wytworem zupełnie innego rodzaju chemii, opartej na pierwiastkach innych niż węgiel, takich jak fosfor czy żelazo. Niektórzy badacze zastanawiają się, czy chemia jest w tym przypadku w ogóle niezbędna. Czy życie nie mogłoby się na przykład objawiać pod postacią elektrycznie naładowanych drobin pyłu w gigantycznej międzygwiezdnej chmurze, jak wyobrażał to sobie brytyjski astronom i pisarz Fred Hoyle w swojej powieści „Czarna chmura”?
Joyce wskazuje, że jego replikatory RNA można by uznać za „przykładowe alternatywne życie, choć stworzone na podobieństwo naszych prehistorycznych przodków”.
Jak na razie, podkreśla badacz, udało mu się udowodnić wraz z Lincoln, że wyhodowane przez człowieka cząsteczki mogą ewoluować w kolejnych pokoleniach.
- Molekuły potrafią przekazywać informacje potomstwu, a także dokonywać mutacji - mówi Joyce. - Albo wygrywają, albo umierają. Robią to wszystko samodzielnie. My tylko włączamy światło.
Cząsteczki te wprawdzie nie są jeszcze na tyle inteligentne, by Joyce mógł je uznać za prawdziwe żywe organizmy, ale ich rozwój jest obiecujący. W innych laboratoriach również prowadzone są badania nad rozmaitymi alternatywnymi formami życia.
Niektórzy badacze, tacy jak Steven Benner z Foundation for Applied Molecular Evolution na Florydzie, eksperymentują z formami DNA, które wykorzystują do kodowania więcej niż cztery literki. J. Craig Venter, który był jednym z inicjatorów projektu poznania ludzkiego genomu, a obecnie stoi na czele własnego J. Craig Venter Institute, niedawno użył zakupionych w sklepie związków chemicznych do rekonstrukcji genomu bakterii pasożytującej na kozach. Zaszczepił go następnie innej bakterii, która przejęła go i zaczęła się replikować ze zmienionym przez Ventera kodem genetycznym. George Church i Farren Isaacs z Harvard Medical School donieśli z kolei ostatnio, że przeprogramowali genom bakterii E. coli, co może pozwolić na wykształcenie nowych cech u tego wszechobecnego mikroba.
Według współczesnej nauki życie na Ziemi powstało około 3,8 miliarda lat temu, być może w ciepłym stawie, jak spekulował Darwin, albo we wrzącej, bulgoczącej błotnej kąpieli bądź gorącym otworze wulkanicznym głęboko pod powierzchnią morza. Chemicy podejrzewają, że pierwszym mieszkańcem tego raju było RNA.
W dzisiejszym świecie RNA jest chłopcem na posyłki DNA. Podobnie jak DNA, RNA koduje informację genetyczną, ale w przeciwieństwie do DNA może także służyć jako katalizator reakcji chemicznych między innymi cząsteczkami, przycinając je lub wiążąc ze sobą. Obecnie zadanie to spełniają głównie białka.
W 1962 roku biolog z MIT Alexander Rich wysunął hipotezę, że na samym początku RNA mogło odgrywać obie role - wzorca i maszynerii. Naukowcy nie są w stanie udowodnić, że życie na Ziemi powstało właśnie w ten sposób, ale mogą przeprowadzić równie ciekawy eksperyment: stworzyć własne RNA i sprawdzić, czy uda się tchnąć w nie życie.
Joyce opowiada, że swoje powołanie odkrył, gdy jako student University of Chicago przeczytał „Tęczę grawitacji”, powieść Thomasa Pynchona o śmiercionośnych rakietach i koszmarze II wojnie światowej. Ostatnia część książki, nosząca tytuł „Kontrakcja”, opowiada o miłości oraz życiu kiełkującym pod gruzami Europy czasów wojny. Według biologów ową siłą tworzącą życie i porządek z chaosu jest po prostu darwinowska ewolucja, tłumaczy Joyce. - Chciałem uczestniczyć w tej właśnie kontrakcji - wspomina. Kluczową rolę w laboratoryjnych eksperymentach Joyce'a odgrywa fragment RNA w kształcie litery T, który potrafi sklejać inne cząsteczki RNA. W 2002 roku Joyce wraz ze stypendystką Natashą Paul zaprogramowali go tak, by rozpoznawał i zlepiał parę mniejszych molekuł, przypominających literę L oraz prostą kreskę. Po połączeniu cząsteczki te miały tworzyć nową kopię oryginału w kształcie litery T. Plan się powiódł; RNA nauczyło się produkować swoje nowe wersje, ale nie dość szybko, by wyprzedzić naturalną tendencję pierwotnego RNA do rozkładu. W rezultacie umierało ono szybciej, niż się reprodukowało. Joyce i Lincoln opracowali metodę przyspieszenia tego procesu: dwie komplementarne wersje RNA wytwarzały siebie nawzajem.
- Pewnego dnia nastąpił przełom - opowiada Joyce. Stało się to dokładnie 1 października 2007 toku. Udało się wejść w „decydującą fazę”, w której populacja replikatorów zaczęła gwałtownie rosnąć.
Jak często mawia Joyce, gra się rozpoczęła - i trwa nadal. Joyce i jego koledzy zorganizowali następnie swego rodzaju „mistrzostwa” cząsteczek. Stworzyli 12 wersji syntetycznych replikatorów, zdolnych do mutacji oraz ewolucji, zwiększających szanse reprodukcji. Eksperymentatorzy umieścili je w jednym naczyniu wraz z odpowiednim „pożywieniem”, by mogły ze sobą rywalizować. - Od razu ruszyły do boju - wspomina Joyce.
Po pewnym czasie zwycięskie cząsteczki podwajały swą liczbę co 15 minut. Za sprawą różnych, czasem przypadkowych interakcji powstały zupełnie nowe kombinacje i mutacje. Większość pierwotnych konfiguracji niemal całkowicie zniknęła. Innymi słowy, organizm wyewoluował.
- Ewolucja nie jest teorią dla nas, chemików - podkreśla Joyce. - Interesuje nas to, co robią cząsteczki, kiedy mają możliwość replikowania się i przekazywania informacji z pokolenia na pokolenie.
W innym eksperymencie przeprogramowano cząsteczki tak, by rozmnażały się tylko w obecności innego związku chemicznego. - Na tym można będzie zarobić - przewiduje Joyce, tłumacząc, że replikujące się molekuły mogłyby służyć jako czujniki wykrywające skażenie lub niebezpieczne toksyny w środowisku.
Joyce i jego współpracownicy zorganizują niebawem ten sam „turniej” z 256 wersjami replikującego się enzymu. - Szalejemy z pipetkami - obwieszcza.
Oznacza to, że może powstać około 65 tysięcy kombinacji genów walczących o przetrwanie. Sytuacja robi się naprawdę interesująca. - Pukamy do drzwi, ale jeszcze nie jesteśmy w środku - ocenia Lincoln.
Profesor Yale Sidney Altman, jeden z laureatów nagrody Nobla uhonorowanych za odkrycie właściwości RNA, twierdzi, że od prawdziwego testu życia w probówce dzieli nas najpewniej jeszcze wiele lat.
- Replikatory Gerry'ego Joyce'a to bardzo sprytne cząsteczki - przyznaje, zauważając jednak, że nie są na tyle samowystarczalne, by przeżyć.
Joyce ujawnia, że jego zespół pracuje nad nauczeniem replikujących się molekuł nowych umiejętności, ale nie chce zdradzić, jakich. Spytany, jakie przykładowe zdolności byłoby w stanie posiąść RNA, Joyce sugeruje, że mogłoby pomagać w produkcji jednego ze składników niezbędnych do własnej replikacji, łącząc mniejsze molekuły. - Fajnie byłoby - podkreśla - gdyby nasza cząstka umiała sama wytwarzać dla siebie pożywienie.
Kluczem do rozwoju jest złożoność. Badana cząsteczka ma tylko dwa geny, w porównaniu z 25 tysiącami u ludzi. Eksperymenty polegały na manipulowaniu czterema literkami w tych genach; ludzki genom składa się w sumie z 3 miliardów literek. - Dysponujemy małym, zabawkowym genomem, ale możemy zdobyć całą księgę życia - wskazuje. - Póki co jednak zdania składają się tylko z dwóch słów.
Istoty żywe takie jak my na razie nie mają się czego bać. Cząsteczki Joyce'a nigdy nie dogonią naszej biosfery. Ale być może kiedyś ich genom zaskoczy swego stwórcę jakąś nową, niespodziewaną sztuczką lub ruchem w grze Niby-Życia. - Gdyby tak się stało, to by mi wystarczyło, byłbym szczęśliwy - zapewnia Joyce, po czym dodaje: - Nie będę mówił tego głośno, ale to żyje.
Autor: Dennis Overbye
Źródła: New York Times