První život a další život

Řidič vypnul motor svého burácejícího transportéru ruské armády na okraji hlubokého kaňonu vyhloubeného proudem ledovcové vody z tání. Naše malá výzkumná skupina – která zahrnovala postgraduální studenty ze Stanfordu Jamie a Meaghan, postdoktorandy Jana a Jakea z Carnegie Institution of Washington a náš průvodce Vladimir – seskočila z náklaďáku na uvítanou protažení po otřesných pěti hodinách jízdy z Petropavlovska. Pak jsme si vzali batohy na ramena a začali lézt, křupouce přes udusaný sníh a led mezi balvany velikosti domu. Když jsme se zastavili, abychom se nadechli a ohlédli se z kopce, viděli jsme, jak proudy popela a lávy z minulých erupcí erodovaly do kopců a údolí, s roztroušenými místy nízkých keřů v chráněných oblastech hluboko pod nimi. Zubatá sopečná krajina Kamčatky vymezovala horizont. Nad námi se tyčil náš cíl: odstřelený vrchol Mount Mutnowski, sopky, která před několika lety vybuchla.

O dvě hodiny později a o 2000 stop výše jsme nahlédli přes okraj kráteru. Bylo těžké pochopit chaos pod námi. V této krajině černé a šedé skály nebylo nic živého kromě našeho šestičlenného týmu. Malý ledovec na druhé straně se rozpouštěl v kráteru a z hloubi nitra vycházely vzdálené dunivé zvuky, jak pára stoupala k modré obloze. Země, vzduch, oheň a voda, pomyslel jsem si – starověké živly, shromážděné zde v dalekém východním Rusku, rozvířené tepelnou energií, která zbyla z počátku historie naší planety. Kromě ledovce toto místo vypadalo jako pozůstatek z té doby – model toho, jaká Země byla před čtyřmi miliardami let, než začal život. Sestoupili jsme dolů do kráteru, občas jsme měli na sobě plynové masky, abychom chránili naše plíce před žíravými plyny.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z května 2009

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Moje terénní práce na Kamčatce byla podpořena grantem NASA a naším hlavním cílem bylo lépe porozumět geochemickým podmínkám souvisejícím se vznikem života na Zemi a možná i na Marsu. Dřívější publikace v ruskojazyčných časopisech uváděly, že organické sloučeniny, včetně aminokyselin, byly přítomny ve vroucích pramenech a výparech sopek na Kamčatce. Všichni souhlasí s tím, že vznik života vyžadoval zdroj organických sloučenin, ale nikdo ve skutečnosti neví, jaký mohl být primární zdroj. Jednou z možností je, že většina sloučenin byla vyrobena geochemickou syntézou v sopečných oblastech na počátku historie Země, a bylo by skutečným průlomem, kdybychom dnes dokázali detekovat podobné reakce v sopkách.

Druhým cílem bylo v podstatě zajistit moji sázku. Co kdybychom se dostali až na Kamčatku a nenašli žádné organické sloučeniny? To by bylo trapné. Z tohoto důvodu jsem s sebou přinesl směs sloučenin podobných těm, o kterých jsme si mysleli, že mohly být dostupné před čtyřmi miliardami let, aby nastartovaly život: čtyři aminokyseliny, mastná kyselina, fosfát, glycerol a čtyři báze nukleové kyseliny. Věděli jsme, že v laboratorních podmínkách mohou tyto složky reagovat za vzniku složitějších sloučenin souvisejících s molekulárními strukturami a funkcemi charakteristickými pro život. Navrhl jsem je přidat do sopečného bazénu, abych viděl, co se stane. Většina mých kolegů věří, že tento druh experimentu je trochu hloupý, protože podmínky jsou tak nekontrolovatelné, ale já to beru jako kontrolu reality. Můžeme získat zajímavé reakce na práci v laboratoři, ale co když přehlížíme něco, co se ukáže, až když se pokusíme tyto reakce nasimulovat v přirozeném prostředí?

Symbióza a syntetická biologie
Když jsem poprvé začal slyšet termín astrobiologie před pár lety to znělo podivně rozporuplně. A pak se objevila další nová disciplína, která byla ještě náročnější: syntetická biologie . Ale tak věda postupuje – jakousi symbiózou mezi zdánlivě nesouvisejícími disciplínami, v nichž se tradiční biologie a chemie stávají biochemií a biologie a fyzika biofyzikou. Svou kariéru jsem začal tradičními biofyzikálními studiemi na membránách, ale nyní je část mého výzkumu financována astrobiologickým programem NASA a mnoho našich experimentů by se dalo popsat jako syntetická biologie: aplikace inženýrských technik k návrhu nebo přepracování biologických funkcí a systémů.

Oblast syntetické biologie je právě teď žhavá, protože její metody jsou potenciálně velmi silné. Syntetičtí biologové vědí dost o živých systémech, aby mohli užitečnými způsoby měnit genetické programy, stejně jako zkušení počítačoví programátoři mění software. Co má ale taková technologicky vyspělá věda společného se sopkami a původem života? Louis Pasteur jednou poznamenal, že náhoda prospívá připravené mysli; velmi často i ten nejzákladnější výzkum přináší netušené aplikace. Například jedním z nejmocnějších nástrojů molekulární biologie je polymerázová řetězová reakce (PCR), která se používá k amplifikaci DNA – tedy k vytvoření více kopií dané sekvence. V PCR se cykly zahřívání a ochlazování spojují se syntézou DNA polymerázou, enzymem, který katalyzuje stavbu velkých molekul (polymerů) z malých molekul (monomerů). Kary Mullis přišel s nápadem v roce 1983, poprvé použil polymerázu z obyčejných E-coli bakterií, ale byla potřeba polymeráza, která by dokázala přežít teploty blízké varu. V roce 1965 – ve zcela nesouvisejícím výzkumu – objevil Thomas Brock primitivní bakterii, kterou pojmenoval Thermus aquaticus , žijící ve vulkanických horkých pramenech Yellowstonského národního parku. Tento organismus je původním zdrojem žáruvzdorného Taq polymeráza nyní používaná ve všech komerčních PCR zařízeních.

Pokud se budeme řídit Pasteurovou radou, můžeme zvýšit šance na další takové náhodné objevy. Zejména můžeme připravit naši mysl rozšířením záběru syntetické biologie tak, aby zahrnovala studie původu života. Začnu popisem přírodní verze syntetické biologie; pak ukážu, jak naše rostoucí porozumění molekulárním mechanismům života naznačuje způsob, jak reprodukovat původ života v laboratoři.

První život: Syntetická biologie ve volné přírodě
Abychom se mohli zabývat otázkou původu života, musíme mít určitou představu o tom, jak vypadala Země před čtyřmi miliardami let. Existují dobré důkazy, že oceány již byly přítomny a předcházely život o několik set milionů let. Oceány byly slané, pravděpodobně poněkud kyselé, s vulkanickou pevninou stoupající nad hladinu moře. Srážky na těchto ostrovech vytvořily sladkovodní rybníky, takže mořské prostředí není jediné, ve kterém mohl začít život. Atmosféra byla směsí oxidu uhličitého a dusíku s malým nebo žádným kyslíkem a průměrná globální teplota byla 60 až 70 °C, mnohem více než dnešních 15 °C. První formy života se tak pravděpodobně podobaly teplomilným bakteriím, které dnes obývají horké prameny.

Jak mohl život začít v tak neperspektivním prostředí? Charles Darwin o tom občas přemýšlel, i když byl příliš konzervativní na to, aby veřejně spekuloval o původu života. V soukromém dopise svému příteli Josephu Hookerovi napsal: Ale kdybychom (a Ó! jaké velké kdyby!) bychom mohli otěhotnět v nějakém teplém malém jezírku se všemi druhy amoniaku a fosforečných solí, světla, tepla, elektřiny atd. Vzhledem k tomu, že se chemicky vytvořila bílkovinná sloučenina připravená podstoupit ještě složitější změny, v dnešní době by taková hmota byla okamžitě pohlcena nebo absorbována, což by před vznikem živých tvorů nebylo. A jeho skvělá kniha O původu druhů se této otázky dotýká jedinou větou: Pohled do prvního úsvitu života, kdy všechny organické bytosti, jak se můžeme domnívat, představovaly tu nejjednodušší strukturu, jak, jak se říká, mohly nastaly první kroky v pokroku nebo diferenciaci částí?

Méně výmluvně, co by bylo potřeba k tomu, aby evoluce života začala? Za prvé, evoluce funguje na populacích, nikoli na jednotlivých organismech, takže musíme najít způsob, jak vytvořit velké množství molekulárních systémů v prebiotickém prostředí. Kromě toho musí existovat velké rozdíly v jejich vlastnostech. Požadavek na variaci v rámci populace znamená, že první formy života schopné evoluce nemohou být náhodné směsi replikujících se molekul neschopných sestavit se do samostatných entit; místo toho by to byly systémy interagujících molekul zapouzdřených v něčem jako buňka.

Laboratoř, svého druhu: Autor odebírá vzorky vařících se fumarol v kráteru hory Mutnowski na Kamčatce v Rusku

Systémy by musely vykazovat dvě primární funkce života: růst a reprodukci. Buňky rostou přijímáním živin – jednoduchých molekul z prostředí. Využívají energii k propojení těchto molekul do polymerů, které nazýváme proteiny a nukleové kyseliny. Reprodukce vyžaduje mechanismus, kterým lze genetickou informaci ukládat a poté replikovat, aby mohla být informace ve formě genů předána dál. Ale přenos informací je nutně nedokonalý. Musí dojít k určitému počtu chyb – mutací –, aby se vytvořily variace v populaci, jako jsou ty, které umožnily primitivnímu životu prozkoumat různé výklenky a začít se vyvíjet směrem k velkolepé biosféře dnešní Země.

Hovoříme o formách života mnohem jednodušších, než jsou dokonce i ty nejprimitivnější bakterie, které nyní existují. Jak se však mohly buňky jakéhokoli druhu spontánně objevit z náhodných směsí jednoduchých organických molekul? Tato vyhlídka je tak ohromující, že několik vědců na rovinu tvrdí, že nikdy nepochopíme, jak k tomu došlo. jsem optimističtější. Ale pokusit se zjistit, jak život začal, je těžká práce, bez jistoty, že někdy najdeme odpovědi. Musíme formulovat a testovat hypotézy a být ochotni vydat se na rozlehlé neprobádané území. Stručně popíšu některé milníky na této cestě. Když je uznáváme, můžeme začít sestavovat logickou klec, která omezuje spekulace a vede nás k odpovědím.

První milník: Zdroj organických monomerů
Čtyři základní druhy biomolekul jsou aminokyseliny a proteiny, sacharidy, nukleové kyseliny a lipidy. Není pochyb o tom, že podobné – dokonce identické – organické sloučeniny byly přítomny v prebiotickém prostředí. To byl závěr slavného experimentu Stanleyho Millera na počátku 50. let, ve kterém vystavil směsi běžných plynů elektrickým výbojům a pozoroval tvorbu aminokyselin. Od té doby byly prakticky všechny primární uhlíkové sloučeniny života syntetizovány v prebiotických simulacích.

Výsledky simulačních studií byly silně podpořeny, když v září 1969 na Zemi poblíž Murchisonu v Austrálii spadl pozoruhodný meteorit. Bylo jasné, že meteorit obsahuje organický materiál, protože z horkých povrchů vycházel zvláštní zápach. O čtyřicet let později, když v laboratoři brousím vzorky Murchisona, se z malty line stejný zápach – současně zaprášený, mastný a kyselý. Jedná se o prastarý zápach, starší než samotná Země, uchovávaný po dobu pěti miliard let v kometě nebo asteroidu, ze kterého byl odvozen původní meteorit.

V meteoritu Murchison a dalších uhlíkatých meteoritech jsou tisíce organických sloučenin, které byly analyzovány, což potvrzuje Millerův experiment tím, že ukazuje, že biologicky relevantní organické sloučeniny jsou ve skutečnosti produkovány nebiologickými procesy. Díky tomu je pravděpodobné, že na prebiotické Zemi byly přítomny organické sloučeniny, buď syntetizované geochemickými procesy, nebo dodané jako meteoritický a kometární pád před více než čtyřmi miliardami let.

Druhý milník: Vlastní sestavení oddílů a protobuněk
Jednotkou veškerého života je dnes buňka. Můj výzkum je v membránové biofyzice a svou kariéru jsem začal studiem lipidových membrán, které jsou základními hranicemi definujícími živé buňky. Když jsem před dvaceti lety získal kámen o velikosti golfového míčku z Murchisonova meteoritu, chtěl jsem zjistit, zda ve směsi meteoritických organických látek není přítomno něco, co by se podobalo lipidům, což možná vrhlo světlo na to, jak se život stal buněčným.

V dřívějších výzkumech jsem často používal směs chloroformu a metanolu k extrakci lipidů z různých biologických materiálů, jako jsou červené krvinky, chloroplasty, mitochondrie a dokonce vaječné žloutky – poslední byl bohatým zdrojem fosfolipidu zvaného lecitin. A v roce 1975 jsem strávil sabatní dovolenou v laboratoři Aleca Banghama, který v 60. letech při práci ve výzkumném ústavu poblíž Cambridge v Anglii zjistil, že lecitin se může samovolně skládat do membránových váčků nebo váčků, které vznikly nazývané liposomy. Nyní jsem použil směs chloroform-methanol k izolaci sloučenin ze vzorků Murchisonova kamene, pak jsem použil chromatografický postup k čištění těch, které by mohly být schopné samosestavení do membrán. Levý panel na obrázku na straně 71 ukazuje, co se stalo, když bylo několik mikrogramů extraktu vysušeno na mikroskopickém sklíčku a vystaveno vodě, aby se simulovaly cykly smáčení a sušení, které byly časté na rané Zemi. Výsledky byly velmi vzrušující. Nejen, že byly ve směsi přítomny molekuly podobné lipidům, ale snadno se samy seskládaly do vezikul o velikosti buněk.

Když jsme analyzovali směs meteoritických organických látek, zjistili jsme, že některé ze sloučenin byly mastné kyseliny s krátkým řetězcem, molekuly podobné mýdlu, které mají konec s 9 až 13 atomy uhlíku. To znamenalo, že jsme již nepotřebovali materiál ze vzácných meteoritů k provádění experimentů; mohli bychom zkoumat vlastnosti čistých sloučenin nakupovaných od chemických dodavatelů. Začali jsme s kyselinou dekanovou, 10-uhlíkovou mastnou kyselinou, a zjistili jsme, že snadno produkuje vezikuly podobné těm, které produkují extrakty meteoritů. Další otázkou bylo, zda takové kompartmenty mohou zapouzdřit větší molekuly za vzniku protobuněk, které jsou definovány jako zapouzdřené systémy molekul – jako je RNA – které mají potenciál působit jako katalyzátory a nosiče genetické informace. Ukázalo se, že je to tak snadné, že by se to dalo udělat na středoškolském vědeckém veletrhu. Pokud se mikroskopické vezikuly smísí s velkými molekulami, jako jsou proteiny nebo nukleové kyseliny, a poté projdou suchým a vlhkým cyklem, přibližně polovina velkých molekul skončí uvnitř vezikul. Zářící lipidové vezikuly zobrazené na pravém panelu mikrofotografie jsou složeny z kyseliny dekanové obklopující molekuly DNA.

Základem je, že protobuňky lze velmi snadno vyrobit jednoduchými procesy samo-sestavení. Z toho vyplývá, že by se takové struktury mohly vyskytovat také v prebiotickém prostředí.

Třetí milník: Syntéza polymerů
Veškerý život dnes používá enzymy ke katalýze syntézy polymerů. A téměř všechny polymerní molekuly života, včetně proteinů a nukleových kyselin, jsou syntetizovány z monomerů, které jsou chemicky aktivované – to znamená, že získávají energii k polymeraci – prostřednictvím složitých metabolických procesů, které z každého extrahují ekvivalent molekuly vody. Ribozomy spojují aktivované aminokyseliny prostřednictvím peptidových vazeb za vzniku proteinů a enzymy zvané polymerázy katalyzují tvorbu esterových vazeb mezi aktivovanými nukleotidy za vzniku nukleových kyselin.

Nic téměř tak složitého se nemohlo stát, než život začal, ale řada jednodušších reakcí může také produkovat zajímavé polymery. Například James Ferris z Rensselaer Polytechnic Institute v New Yorku ukázal, že jílový minerál zvaný montmorillonit podporuje syntézu polymerní RNA z aktivovaných nukleotidů. Minerální povrchy adsorbují a organizují nukleotidy, které se pak uzavírají do polymerů. Kromě toho, jakmile se vytvoří molekuly RNA, mohou podstoupit určitý druh omezeného procesu replikace, který nevyžaduje enzymy. Leslie Orgel a jeho spolupracovníci v Salkově institutu v 80. letech prokázali, že chemicky aktivované nukleotidové monomery se seřadí na syntetické RNA templáty pomocí Watson-Crickova párování bází, jako to dělají v dvojité šroubovici DNA, a poté polymerují do druhého vlákna RNA. .

Klíčová pozorování Orgela, Ferrise a dalších jasně naznačovala, že něco jako RNA mohlo být prvním polymerem, který byl spojen s životními procesy. Další důkazy byly poskytnuty, když Thomas Cech na University of Colorado a Sidney Altman na Yale zjistili, že určité typy RNA mají katalytické vlastnosti, za objev, za který získali Nobelovu cenu. Takové molekuly RNA, nyní označované jako ribozymy, mohou vytvářet a rušit specifické chemické vazby ve své vlastní struktuře, spíše než záviset na proteinových enzymech. Objev katalytické RNA vedl nositele Nobelovy ceny za chemii Waltera Gilberta z Harvardu k návrhu světa RNA, který předpokládal, že život nezačal složitými systémy DNA, RNA a proteinů, které charakterizují veškerý dnešní život. Místo toho mohly molekuly RNA sloužit jako katalyzátory a také k ukládání a přenosu genetické informace. Koncept RNA World dominuje současnému uvažování o původu života. Výzkumné skupiny vedené Geraldem Joycem ze Scripps Research Institute, Davidem Bartelem z Whitehead Institute a Peterem Unrauem z Univerzity Simona Frasera se pokoušejí začlenit RNA do sebereplikujícího systému molekul. Je příznačné, že často využívají techniku, ve které se používají evoluční principy k výběru konkrétních katalytických aktivit ze směsí obsahujících biliony různých molekul RNA.

To nás přivádí k dalšímu milníku.

Starší než Země!: Když autor extrahoval určité molekuly z pět miliard let starého meteoritu a nechal je navlhčit, samy se shromáždily do buňek podobných váčků (vlevo). Zjistil také, že kyselina dekanová, mastná kyselina přítomná v meteoritu, snadno tvoří podobné vezikuly – takové, které jsou schopné zapouzdřit DNA (zářící, vpravo).

Čtvrtý milník: Evoluce katalyzátorů
Může se genetická informace nějak objevit v náhodných směsích, v podstatě náhodou? Pokud je odpověď ne, pak jsme v průšvihu, protože ti z nás, kteří pracujeme na vzniku života, tvrdí, že přesně to se stalo před čtyřmi miliardami let, kdy se ze sterilní směsi minerálů objevily první formy života, atmosférické plyny a zředěné roztoky organických sloučenin. Abych odpověděl na tuto otázku, vrátím se ke klasickému experimentu, který David Bartel a Jack Szostak publikovali v roce 1993, zatímco Bartel byl postgraduálním studentem v Szostakově laboratoři. Jejich experiment je středně komplikovaný, ale výsledek je tak důležitý, že stojí za to ho zde vysvětlit. Cílem bylo zjistit, zda by zcela náhodný systém molekul mohl projít evoluční selekcí takovým způsobem, aby se mohly vyvinout molekuly s katalytickými vlastnostmi. Prvním krokem byla syntéza bilionů různých molekul RNA sestávajících z přibližně 300 nukleotidů, uspořádaných do náhodných sekvencí. Bartel a Szostak usoudili, že v těchto bilionech bylo pohřbeno několik ribozymů, které náhodou katalyzovaly ligační reakci, ve které je jeden řetězec RNA spojen s druhým řetězcem. Vyvinuli postup, který tyto vzácné molekuly zachytil, i když reakci jen slabě katalyzovaly. K jejich zesílení pak použili enzymy. Amplifikované sekvence prošly dalším kolem selekce a amplifikace a proces se opakoval po 10 cyklů.

Výsledky byly ohromující. Zvýšená katalytická aktivita se začala objevovat po čtyřech cyklech a po 10 kolech byla rychlost katalýzy sedmimilionkrát vyšší než rychlost nekatalyzovaná! Bylo dokonce možné sledovat vývoj RNA. Nukleové kyseliny mohou být označeny radioaktivním fosfátem, poté separovány a vizualizovány pomocí techniky zvané gelová elektroforéza. Směs molekul RNA je umístěna na vršek gelu a je aplikováno napětí několika stovek voltů, které způsobí migraci molekul gelem směrem dolů. Větší molekuly se nepohybují příliš daleko, takže se jeví jako pruhy v blízkosti horní části gelu; menší, rychleji se pohybující molekuly tvoří pásy blízko středu a dna. Na začátku experimentu nebylo v gelech nic vidět, protože molekuly RNA byly všechny odlišné. Ale po třech cyklech se objevily zřetelné pásy, což znamená, že určité katalytické druhy již byly vybírány. S dalším cyklováním se na několik cyklů objevily další druhy a pak vyhynuly. Po 10 cyklech přežily dva odlišné druhy RNA, představující ty molekuly RNA, které byly nejúčinnější při katalýze ligační reakce.

Tyto výsledky demonstrují základní princip evoluce na molekulární úrovni. Na začátku experimentu byla každá molekula RNA odlišná od všech ostatních, ale pak byla nastolena selektivní překážka v podobě ligační reakce, která umožnila přežít a reprodukovat se pouze určitým molekulám. Výsledkem bylo, že specifické katalytické molekuly se objevily procesem úzce odrážejícím darwinovský přírodní výběr. Závěr: genetická informace se ve skutečnosti může objevit v náhodných směsích, pokud směsi začínají velkým počtem polymerů definovaných řadou nukleotidových sekvencí, ze kterých lze vybrat a amplifikovat specifické sekvence s katalytickou vlastností. Zdá se rozumné navrhnout, že k podobným selektivním procesům mohlo dojít na prebiotické Zemi, když se první formy života samy shromáždily ve směsi organických sloučenin a poté se začaly vyvíjet.

Pátý milník: Kombinatorická chemie a pytle na odpadky
Většina chemiků se učí dělat své experimenty v sériích, jeden za den. Ale experimenty lze provádět i paralelně s technikou zvanou kombinatorická chemie. Tento přístup je zvláště užitečný ve farmaceutickém průmyslu, ve kterém je často nutné experimentovat s velkým počtem sloučenin za účelem optimalizace reakce nebo testování nového léku. Robotické zařízení naplní stovky nebo dokonce tisíce malých reakčních komor požadovanými směsmi, přičemž každá komora obsahuje kapku, která se mírně liší od ostatních. Po dokončení reakce se komůrky jednotlivě testují na aktivitu.

V mé laboratoři provádíme verzi kombinatorické chemie, když připravujeme lipozomy přidáním vody k několika miligramům suchého lipidu v baňce. Vznikne mléčná suspenze, která obsahuje ne tisíce, ale biliony jednotlivých mikroskopických váčků o velikosti malých bakterií – půl mikrometru v průměru. Pokud jsou vezikuly připraveny v roztoku obsahujícím malé peptidy a krátké nukleové kyseliny, jako je RNA, každá z vezikul bude obsahovat jinou sadu složek, takže každá představuje mikroskopický experiment. Nyní přemýšlejme o rané Zemi. Namísto miligramů lipidu v baňce by to mělo miliardy tun organického materiálu složeného do obrovského množství mikroskopických struktur a půl miliardy let na provedení experimentu.

Vznik života lze metaforicky chápat jako kombinatorickou chemii v globálním měřítku. Několik mikroskopických experimentů muselo být úspěšných a výsledkem byly primitivní buňky schopné zachytit energii a živiny, aby mohly růst pomocí polymeračních reakcí. Evoluce začala, když buňky zaplnily omezený výklenek a soutěžily o zdroje. V tu chvíli převzal vedení přirozený výběr, který kladl důraz na to, jak efektivně může daná buňka zachytit živiny, aby mohla růst. Představuji si, že jakmile se rozběhl robustní buněčný život, exponenciálně expandoval. Země při pohledu z vesmíru mohla dokonce na chvíli zčervenat nebo zezelenat, když fotosyntetické bakterie zaplnily oceány.

Objevíme někdy kombinaci ingrediencí, které daly vzniknout životu? Opět jsem optimista. Potřebujeme použít to, co víme o chemii a fyzice živých systémů, abychom zúžili možnosti, a pak být dost odvážní, abychom skutečně provedli nějaké experimenty. Jaké experimenty bychom ale měli vyzkoušet? Zde nás může vést teorie. Freeman Dyson, jeden z největších teoretických fyziků naší doby, se také zajímal o vznik života. Dyson ve své knize Origins of Life stručně shrnuje, co jsem vám řekl:

Život začal s malými sáčky, předchůdci buněk, obklopujícími malé objemy špinavé vody obsahující různé odpadky. Náhodná sbírka molekul ve vaku může příležitostně obsahovat katalyzátory, které způsobují syntézu jiných molekul, které fungují jako katalyzátory pro syntézu jiných molekul a tak dále. Velmi vzácně může vzniknout sbírka molekul, která v průběhu času obsahuje dostatek katalyzátorů k reprodukci celé populace. Reprodukce nemusí být přesná. Stačí, když jsou katalyzátory udržovány hrubým statistickým způsobem. Populace molekul ve vaku se sama reprodukuje bez přesné replikace. Zatímco se to děje, pytel může narůstat nahromaděním čerstvého odpadu zvenčí a pytel se může občas rozlomit na dva pytle, když je rozhozen turbulentními pohyby. Kritická otázka tedy zní, jaká je pravděpodobnost, že dceřiný vak vyrobený rozdělením vaku se samoreprodukující se populací molekul bude sám obsahovat samoreprodukující se populaci? Když je tato pravděpodobnost větší než jedna polovina, rodič produkuje v průměru více než jednu funkční dceru, může dojít k divergentní řetězové reakci, vaky obsahující samoreprodukující se populace se rozmnoží a jakýsi život začal.

Život, který tímto způsobem začíná, je svět pytlů na odpadky. Je to svět malých protobuněk, které se pouze statisticky metabolizují a reprodukují. Molekuly, které obsahují, se samy přesně nereplikují. Statistická reprodukce je dostatečně dobrým základem pro přirozený výběr. Jakmile svět pytlů na odpadky začne s hrubě se množícími protobuňkami, začne přirozený výběr pracovat za účelem zlepšení kvality katalyzátorů a přesnosti reprodukce. Nebylo by překvapivé, kdyby milion let selekce vytvořily protobuňky s mnoha chemickými upřesněními, které vidíme u moderních buněk.

Příští život: Syntetické buňky
Teoretické koncepty jako svět RNA a Dysonův svět pytlů na odpadky inspirovaly experimentální přístupy, ve kterých jsou systémy molekul uzavřených membránami dostatečně složité, aby měly některé vlastnosti života. Konečným cílem je sestavit buněčný systém, který může využívat energii k růstu prostřednictvím procesu katalyzované polymerizace, replikace genetické informace a evoluce. Několik laboratoří zahájilo takové studie a existuje důvod se domnívat, že cíle umělého života může být dosaženo v příštím desetiletí. Nyní vyprávím stručnou historii výzkumu výroby umělých buněk.

Možná první věc, kterou je třeba pochopit, je, že sestavení systému molekul schopných reprodukce je stará zpráva. Před více než 50 lety Heinz Fraenkel-Conrat a Robley Williams v Berkeley zjistili, že virus tabákové mozaiky lze rozdělit na jeho obalový protein a RNA. Pokud byly tyto dvě složky smíchány dohromady, znovu se spojily do infekčního agens. Nedávno, v pozoruhodné ukázce moderních metod molekulární biologie, Jeronimo Cello, Aniko Paul a Eckard Wimmer ze State University of New York ve Stony Brooku vyrobili funkční genom polioviru spojením stovek menších fragmentů, které byly syntetizovány. pomocí chemických technik. A před dvěma lety se Hamiltonu Smithovi a jeho kolegům z Institutu J. Craiga Ventera v Rockville, MD, podařilo syntetizovat kompletní genom malého bakteriálního druhu tzv. Mycoplasma genitalium . Rozruch, který to způsobilo, je známkou toho, co bude čelit prvním tvrzením, že živá buňka byla znovu sestavena ze svých částí.

Syntéza virových a bakteriálních genomů naznačuje, že mohou být možné ještě náročnější výmysly. Už léta víme, že samovolné procesy samoskládání mohou produkovat překvapivě složité systémy funkčních molekul. Efraim Racker, pracující na Cornellově univerzitě, byl průkopníkem snahy pitvat a rekonstituovat mitochondriální membrány v 70. letech 20. století. Mitochondrie jsou subcelulární organely, které jsou přítomny ve většině buněk a v jejich membránách jsou zabudovány enzymy, které odstraňují elektrony z metabolických produktů pocházejících z živin, jako je glukóza. Tento proces se nazývá transport elektronů, protože elektrony poté procházejí řetězcem enzymů v mitochondriální membráně a jsou dodávány kyslíku. Transport elektronů je pevně spojen s druhým transportním procesem, ve kterém jsou kladně nabité protony odvozené z vody čerpány směrem ven a vytvářejí elektrický potenciál přibližně 0,2 voltu přes membránu. Toto napětí poskytuje zdroj energie pro syntézu adenosintrifosfátu (ATP), který přenáší chemickou energii v buňkách, a proto řídí většinu životních procesů. Univerzální mechanismus, kterým je syntetizován ATP, nyní označovaný jako chemiosmóza, navrhl v roce 1961 Peter Mitchell, pozoruhodný britský vědec, který později provedl výzkum ve svém domě v Bodminu v Cornwallu.

Racker a jeho studenti rozpustili mitochondriální membrány detergentem zvaným kyselina deoxycholová. Jedním z jeho prvních objevů bylo, že membrány obsahovaly enzym, který spojoval syntézu ATP s transportem elektronů. Označil to jako spojovací faktor, ale nyní se tomu říká ATP syntáza. Racker také zjistil, že detergent lze odstranit dialýzou – jednoduše umístěním čirého roztoku do sáčku složeného z materiálu připomínajícího celofán a ponecháním přes noc ve zředěném solném roztoku. Malé molekuly pracího prostředku vytekly ze sáčku, ale větší molekuly se přes porézní materiál nemohly dostat. Následující den byl roztok zakalený, protože membránové vezikuly obsahující původní proteinové složky se znovu spojily. Vezikuly byly plně schopny reakcí přenosu elektronů a syntézy ATP. Byla to první rekonstituce velmi složité biologické funkce.

Přibližně ve stejnou dobu se Walther Stoeckenius z Kalifornské univerzity v San Franciscu začal zajímat o pigmentové membrány bakteriálního druhu tzv. Halobacterium halobium , který žije v extrémně slané vodě. Stoeckenius a Dieter Oesterhelt byli schopni izolovat purpurový pigment – ​​bakteriorhodopsin – a zjistili, že jeho funkcí je absorbovat světelnou energii a využívat energii k transportu protonů přes bakteriální membránu. Energie protonového gradientu byla poté použita k syntéze ATP. Racker a Stoeckenius, oba členové Národní akademie věd, poté iniciovali vzácnou spolupráci mezi dvěma vedoucími vědci. Použili Rackerovu dialyzační metodu k rekonstituci systému membránových váčků obsahujících pouze protonovou pumpu fialových membrán a ATP syntázu mitochondrií. V roce 1974 oznámili, že hybridní vezikuly mohou využívat světlo jako zdroj energie k syntéze ATP. Jejich práce přidala na váze důkazů, které nakonec potvrdily chemiosmotickou syntézu ATP, za kterou byl Peter Mitchell v roce 1978 oceněn Nobelovou cenou.

Smyslem této krátké historie je, že překvapivě složitá biologická funkce může být obnovena prostřednictvím samoskládání rozptýlených složek. Proč nezkusit rekonstituovat celou buňku? Pokud se ukáže, že je to možné, možná nám to pomůže rozluštit, co rozumíme životem, a dokonce objasnit hlavní kroky, které vedly ke vzniku buněčného života.

Pier Luigi Luisi a jeho výzkumní spolupracovníci v Curychu učinili první pokus zapouzdřením ribozomů do lipidových váčků v roce 1999 spolu se syntetickou formou RNA, která ribozomům řekla, aby začlenily aminokyselinu fenylalanin do proteinu. Bylo vytvořeno několik krátkých peptidů, ale lipidové dvojvrstvy jsou pro aminokyseliny nepropustné, takže syntéza byla omezena na ty fenylalaniny, které byly náhodou uvnitř vezikul. Vincent Noireaux a Albert Libchaber z Rockefellerovy univerzity měli chytré řešení problému propustnosti: proč nepřidat kanál do lipidové dvojvrstvy vezikul? V roce 2004 oznámili, že se jim podařilo zapouzdřit kompletní překladatelský systém izolovaný od E-coli spolu s messenger RNA, která řídí ribozomální syntézu zeleného fluorescenčního proteinu (GFP) a hemolyzinu, proteinu, který slouží jako kanál umožňující externě přidaným aminokyselinám a ATP vstoupit do vezikul. Systém fungoval až čtyři dny a na konci inkubační doby vezikuly zeleně zářily z nahromaděného GFP. Tetsuya Yomo a jeho výzkumná skupina na univerzitě v Osace šli o krok dále s podobným zapouzdřeným translačním systémem, ve kterém je gen GFP přítomen ve vláknu DNA. Svůj systém označují jako genetickou kaskádu, protože gen GFP je přepsán do messenger RNA, která pak řídí syntézu proteinu.

Tyto zapouzdřené translační systémy vykazují základní vlastnost života: využívají genetickou informaci k syntéze proteinu, ale vzniká pouze několik specifických proteinů a vše ostatní zůstává pozadu. Aby byly protobuňky skutečně živé, potřebovaly by řetězec DNA s geny pro více než 200 různých proteinů a druhů RNA, včetně genů pro enzym polymerázu, aby bylo možné DNA replikovat. Musí být také přítomny enzymy, které katalyzují syntézu lipidů, protože hranice membrány musí růst. Transportní proteiny musí být začleněny do lipidové dvojvrstvy; jinak vezikuly nemají přístup k vnějším zdrojům živin a energie. Také by měl být zaveden celý soubor regulačních procesů, aby byl celý tento růst koordinovaný. Nakonec, když váčky dorostou přibližně na dvojnásobek své původní velikosti, musí se rozdělit na dceřiné buňky, které sdílejí původní genetickou informaci.

Z toho vyplývá, že i ten nejjednodušší život je dnes úžasně složitý a nemohl vzniknout na rané Zemi s plným počtem stovek genů. Muselo existovat něco jednoduššího – druh života na lešení, který zůstal pozadu v evolučních troskách před několika miliardami let. Vzhledem k tomu všemu, jak pravděpodobné je, že se naplní konečný příslib syntetické biologie – že lze sestavit umělou verzi primitivní živé buňky? Nejlepší je pravděpodobně ribozym, který katalyzuje svou vlastní úplnou syntézu z ATP, UTP, GTP a CTP – čtyř nukleotidových monomerů RNA – pomocí genetické informace zakódované v jeho struktuře. Pokud se to někomu podaří, budeme mít v ruce zásadní vlastnost, která zatím v modelech umělých buněk chybí: reprodukci samotného katalyzátoru. Vzhledem k takovému ribozymu již víme, jak jej začlenit do systému lipidových váčků, které mohou růst spolu s ribozymem a umožnit nutričním nukleotidům vstoupit do buňky, aby podpořily růst. Zapouzdřené ribozymy budou mít schopnost se vyvíjet, jak před 15 lety prokázali Bartel a Szostak. Stručně řečeno, systém bude živý.

A co se stane potom? Samozřejmě budou titulky; budou přepisovány učebnice; a brzy ráno někoho pravděpodobně probudí telefonát ze Stockholmu. Ale po tom všem hullabaloo utichne; někdo jiný se zeptá: No, tak co? Stejná otázka mohla být položena, když byla v roce 1953 zveřejněna dvoušroubovicová struktura DNA. Velikost objevu byla zjevná až o několik let později. Myslím, že první systém molekul schopných se reprodukovat bude zpočátku také vypadat jako akademické cvičení. Abychom to ale uvedli do správné perspektivy, připomeňme si, že potraviny, antibiotika, ropa, dřevo, metan a vodík jsou produkovány živými buňkami, které jsou výsledkem více než tří miliard let evoluce. Myslím, že další revoluce v technologii začne, až budou moci být syntetické funkce života vykonávány zjednodušenými verzemi buněk, které jsou navrženy spíše podle plánů než prostřednictvím evoluce.

David Deamer je profesorem výzkumu biomolekulárního inženýrství na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz. V současné době píše knihu o původu života, kterou vydá University of California Press.

skrýt