Første liv og næste liv

Chaufføren slukkede motoren på sin buldrende russiske hærs troppevogn i kanten af ​​en dyb kløft udskåret af en strøm af gletsjer-smeltevand. Vores lille forskergruppe – som omfattede Stanford-kandidatstuderende Jamie og Meaghan, postdocs Jan og Jake fra Carnegie Institution of Washington, og vores guide, Vladimir – kravlede ned fra lastbilen for en velkommen strækning efter en skurrende fem timers kørsel fra Petropavlovsk. Så tog vi vores pakker på skuldrene og begyndte at klatre, knasende over pakket sne og is mellem kampesten i husstørrelse. Da vi stoppede for at trække vejret og så tilbage ned ad bakke, kunne vi se asken og lavastrømmene fra tidligere udbrud eroderet ind i bakker og dale med spredte pletter af lave buske i beskyttede områder langt nede. Det takkede vulkanske landskab i Kamchatka definerede horisonten. Over os ragede vores mål: den sprængte top af Mount Mutnowski, en vulkan, der var gået i udbrud blot et par år før.

To timer senere og 2.000 fod højere kiggede vi ud over kanten af ​​krateret. Det var svært at forstå kaosset under os. Der var intet i live i dette landskab af sort og grå sten undtagen vores hold på seks. En lille gletsjer på den anden side var ved at smelte ind i krateret, og fjerne brølende lyde udstrålede dybt inde, mens damp steg ind i den blå himmel. Jord, luft, ild og vand, tænkte jeg – de ældgamle elementer, samlet her i det fjerne østlige Rusland, omrørt af varmeenergi tilbage fra begyndelsen af ​​vores planets historie. Bortset fra gletsjeren virkede dette sted som en rest fra dengang - en model af, hvordan Jorden var for fire milliarder år siden, før livet begyndte. Vi gik ned i krateret, nogle gange iført gasmasker for at beskytte vores lunger mod kaustiske gasser.

Denne historie var en del af vores maj 2009-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mit feltarbejde i Kamchatka blev støttet af en NASA-bevilling, og vores hovedmål var bedre at forstå geokemiske forhold relateret til livets oprindelse på Jorden og måske på Mars. Tidligere publikationer i russisksprogede tidsskrifter havde rapporteret, at organiske forbindelser, herunder aminosyrer, var til stede i de kogende kilder og dampe fra vulkaner i Kamchatka. Alle er enige om, at livets oprindelse krævede en kilde til organiske forbindelser, men ingen ved rigtigt, hvad den primære kilde kunne have været. En mulighed er, at de fleste af forbindelserne blev produceret ved geokemisk syntese i vulkanske områder tidligt i Jordens historie, og det ville være et reelt gennembrud, hvis vi kunne opdage lignende reaktioner i vulkaner i dag.

Det andet mål var dybest set at afdække min indsats. Hvad hvis vi kom hele vejen til Kamchatka og ikke fandt nogen organiske forbindelser? Det ville være pinligt. Af denne grund medbragte jeg en blanding af forbindelser, der ligner dem, vi troede kunne have været tilgængelige for fire milliarder år siden for at sætte gang i livet: fire aminosyrer, en fedtsyre, fosfat, glycerol og de fire baser af nukleinsyre. Vi vidste, at under laboratorieforhold kan disse komponenter reagere og producere mere komplekse forbindelser relateret til de molekylære strukturer og funktioner, der er karakteristiske for livet. Jeg foreslog at tilføje disse til en vulkansk pool for at se, hvad der ville ske. De fleste af mine kolleger mener, at den slags eksperimenter er lidt fjollede, fordi forholdene er så ukontrollerede, men jeg tænker på det som et realitetstjek. Vi kan få interessante reaktioner på at arbejde i et laboratorium, men hvad nu hvis vi overser noget, der først bliver tydeligt, når vi forsøger at simulere disse reaktioner i et naturligt miljø?

Symbiose og syntetisk biologi
Da jeg først begyndte at høre udtrykket astrobiologi for nogle år siden lød det underligt uenigt. Og så dukkede endnu en ny disciplin op, som var endnu mere en stræk: syntetisk biologi . Men sådan skrider videnskaben frem – ved en slags symbiose mellem tilsyneladende uafhængige discipliner, hvor traditionel biologi og kemi bliver til biokemi, og biologi og fysik bliver til biofysik. Jeg begyndte min karriere med traditionelle biofysiske undersøgelser af membraner, men nu er noget af min forskning finansieret af NASAs astrobiologiprogram, og mange af vores eksperimenter kan beskrives som syntetisk biologi: anvendelsen af ​​ingeniørteknikker til at designe eller redesigne biologiske funktioner og systemer.

Området for syntetisk biologi er hot lige nu, fordi dets metoder er potentielt meget kraftfulde. Syntetiske biologer ved nok om levende systemer til at ændre genetiske programmer på nyttige måder, som ekspertcomputerprogrammører ændrer software. Men hvad har sådan højteknologisk videnskab at gøre med vulkaner og livets oprindelse? Louis Pasteur kommenterede engang, at tilfældighed favoriserer det forberedte sind; meget ofte producerer selv den mest basale forskning en uanede anvendelse. For eksempel er et af de mest kraftfulde værktøjer inden for molekylærbiologi polymerasekædereaktionen (PCR), som bruges til at amplificere DNA - det vil sige at lave flere kopier af en given sekvens. I PCR kombineres cyklusser af opvarmning og afkøling med DNA-syntese af en polymerase, et enzym, der katalyserer opbygningen af ​​store molekyler (polymerer) fra små molekyler (monomerer). Kary Mullis kom på ideen i 1983, først ved at bruge en polymerase fra alm E coli bakterier, men der var behov for en polymerase, der kunne overleve nær kogende temperaturer. I 1965 – i fuldstændig urelateret forskning – opdagede Thomas Brock en primitiv bakterie, som han navngav Thermus aquaticus , bor i de vulkanske varme kilder i Yellowstone National Park. Denne organisme er den oprindelige kilde til den varmebestandige Taq polymerase, der nu anvendes i alle kommercielle PCR-enheder.

Hvis vi følger Pasteurs råd, kan vi øge chancerne for flere sådanne serendipitale opdagelser. Især kan vi forberede vores sind ved at udvide rækkevidden af ​​syntetisk biologi til at omfatte studier af livets oprindelse. Jeg vil begynde med at beskrive naturens version af syntetisk biologi; så vil jeg vise, hvordan vores voksende forståelse af livets molekylære mekanismer antyder en måde at reproducere livets oprindelse i laboratoriet.

Første liv: Syntetisk biologi i naturen
For at tage fat på spørgsmålet om livets oprindelse skal vi have en ide om, hvordan Jorden var for fire milliarder år siden. Der er gode beviser for, at havene allerede var til stede, og at de var flere hundrede millioner år før livet. Havene var salte, sandsynligvis noget sure, med vulkanske landmasser, der steg over havets overflade. Nedbør på disse øer producerede ferskvandsdamme, så et havmiljø er ikke det eneste, hvor livet kunne være begyndt. Atmosfæren var en blanding af kuldioxid og nitrogen med lidt eller ingen ilt, og den gennemsnitlige globale temperatur var 60 til 70 °C, meget højere end nutidens 15 °C. Således lignede de første livsformer sandsynligvis de termofile bakterier, der bor i varme kilder i dag.

Hvordan kunne livet begynde i et så lovende miljø? Charles Darwin undrede sig lejlighedsvis over det, selvom han var for konservativ til at spekulere offentligt om livets oprindelse. I et privat brev til sin ven Joseph Hooker skrev han: Men hvis (og Åh! sikke et stort hvis!) vi kunne blive gravide i en eller anden varm lille dam, med alverdens ammoniak- og fosforsalte, lys, varme, elektricitet osv. ., nutid, at en proteinforbindelse var kemisk dannet klar til at undergå endnu mere komplekse forandringer, i dag ville et sådant stof øjeblikkeligt blive fortæret eller absorberet, hvilket ikke ville have været tilfældet, før levende væsner blev dannet. Og hans store bog On the Origin of Species berører spørgsmålet i en enkelt sætning: Ser man til livets første daggry, hvor alle organiske væsener, som vi kan tro, præsenterede den enkleste struktur, hvordan, er det blevet spurgt, kunne er de første skridt i udviklingen eller differentieringen af ​​dele opstået?

Mindre veltalende, hvad ville der kræves for at livets udvikling kan begynde? Først og fremmest virker evolution på populationer, ikke enkelte organismer, så vi er nødt til at finde en måde at generere et stort antal molekylære systemer i det præbiotiske miljø. Ydermere skal der være stor variation i deres egenskaber. Kravet om variation inden for en population betyder, at de første livsformer, der er i stand til at udvikle sig, ikke kan være tilfældige blandinger af replikerende molekyler, der ikke er i stand til at samles til diskrete enheder; i stedet ville de være systemer af interagerende molekyler indkapslet i noget som en celle.

Et laboratorium af slagsen: Forfatteren prøver kogende fumaroler i krateret på Mt. Mutnowski i Kamchatka, Rusland

Systemerne skulle udvise livets to primære funktioner: vækst og reproduktion. Celler vokser ved at optage næringsstoffer - simple molekyler fra miljøet. De bruger energi til at forbinde disse molekyler til de polymerer, som vi kalder proteiner og nukleinsyrer. Reproduktion kræver en mekanisme, hvorved genetisk information kan lagres og derefter replikeres, så informationen, i form af gener, kan videregives. Men overførsel af information er nødvendigvis ufuldkommen. Et vist antal fejl - mutationer - skal opstå for at producere variationer i befolkningen, såsom dem, der gjorde det muligt for primitivt liv at udforske forskellige nicher og begynde at udvikle sig mod den storslåede biosfære på nutidens Jord.

Vi taler om livsformer, der er meget enklere end selv de mest primitive bakterier, der findes nu. Alligevel, hvordan kunne celler af enhver art spontant dukke op ud af tilfældige blandinger af simple organiske molekyler? Udsigten er så forbløffende, at nogle få videnskabsmænd erklærer blankt, at vi aldrig vil forstå, hvordan det opstod. Jeg er mere optimistisk. Men at forsøge at opdage, hvordan livet startede, er hårdt arbejde, uden sikkerhed for, at vi nogensinde vil finde svar. Vi er nødt til at formulere og teste hypoteser og være villige til at vove os ind i stort uudforsket territorium. Jeg vil kort beskrive nogle af milepælene på denne rejse. Når vi anerkender dem, kan vi begynde at samle et logisk bur, der begrænser spekulation og guider os mod svar.

Første milepæl: En kilde til organiske monomerer
De fire grundlæggende varianter af biomolekyler er aminosyrer og proteiner, kulhydrater, nukleinsyrer og lipider. Der er næppe tvivl om, at lignende – selv identiske – organiske forbindelser var til stede i det præbiotiske miljø. Det var konklusionen på Stanley Millers berømte eksperiment i begyndelsen af ​​1950'erne, hvor han udsatte blandinger af almindelige gasser for elektriske udladninger og observerede dannelsen af ​​aminosyrer. Siden dengang er stort set alle livets primære kulstofforbindelser blevet syntetiseret i præbiotiske simuleringer.

Resultaterne af simulationsundersøgelser blev stærkt understøttet, da en bemærkelsesværdig meteorit faldt til Jorden nær Murchison, Australien, i september 1969. Det var tydeligt, at meteoritten indeholdt organisk materiale, fordi en mærkelig lugt dukkede op fra de varme overflader. Fyrre år senere, da jeg maler Murchison-prøver i laboratoriet, kommer den samme lugt op fra mørtlen – samtidig støvet, olieagtig og sur. Dette er en gammel lugt, ældre end Jorden selv, bevaret i fem milliarder år i en komet eller asteroide, hvorfra den oprindelige meteorit blev afledt.

Der er tusindvis af organiske forbindelser til stede i Murchison-meteoritten og andre kulstofholdige meteoritter, som er blevet analyseret - hvilket bekræfter Millers eksperiment ved at vise, at biologisk relevante organiske forbindelser faktisk produceres af ikke-biologiske processer. Dette gør det sandsynligt, at organiske forbindelser var til stede på den præbiotiske Jord, enten syntetiseret ved geokemiske processer eller leveret som meteoritisk og kometært indfald for mere end fire milliarder år siden.

Anden milepæl: Selvsamling af rum og protoceller
Enheden for alt liv i dag er cellen. Min forskningsbaggrund er i membranbiofysik, og jeg begyndte min karriere med at studere de lipidmembraner, der er de væsentlige grænser, der definerer levende celler. For tyve år siden, da jeg fik en sten på størrelse med en golfbold fra Murchison-meteoritten, ønskede jeg at se, om der var noget, der ligner lipider, til stede i blandingen af ​​meteoritiske organiske stoffer, hvilket måske kastede lys over, hvordan livet blev cellulært.

I tidligere forskning havde jeg ofte brugt en blanding af chloroform og methanol til at udvinde lipider fra en række biologiske materialer, såsom røde blodlegemer, kloroplaster, mitokondrier og endda æggeblommer – den sidste er en rig kilde til et fosfolipid kaldet lecithin. Og i 1975 havde jeg tilbragt et sabbatår i laboratoriet hos Alec Bangham, som i 1960'erne, som arbejdede på et forskningsinstitut nær Cambridge, England, opdagede, at lecithin spontant selv kunne samle sig til membranøse sække eller vesikler, der er kommet til kaldes liposomer. Jeg brugte nu chloroform-methanol-blandingen til at isolere forbindelser fra prøver af Murchison-stenen, og brugte derefter en kromatografisk procedure til at rense dem, der kunne være i stand til at samle sig selv til membraner. Det venstre panel i figuren på side 71 viser, hvad der skete, da nogle få mikrogram af ekstraktet blev tørret på et objektglas og udsat for vand for at simulere de cyklusser af befugtning og tørring, som ville have været hyppige på den tidlige Jord. Resultaterne var meget spændende. Ikke kun var lipidlignende molekyler til stede i blandingen, men de samles let selv til vesikler i cellestørrelse.

Da vi analyserede blandingen af ​​meteoritiske organiske stoffer, fandt vi ud af, at nogle af forbindelserne var kortkædede fedtsyrer, sæbelignende molekyler, der har en hale på 9 til 13 kulstofatomer. Det betød, at vi ikke længere havde brug for materiale fra dyrebare meteoritter for at udføre eksperimenter; vi kunne undersøge egenskaberne af de rene forbindelser købt fra kemikalieleverandører. Vi begyndte med decansyre, en 10-kulstoffedtsyre, og fandt ud af, at den let producerede vesikler, der ligner dem, der produceres af meteoritekstrakterne. Det næste spørgsmål var, om sådanne rum kunne indkapsle større molekyler for at producere protoceller, der er defineret som indkapslede systemer af molekyler - som RNA - der har potentialet til at fungere som katalysatorer og bærere af genetisk information. Dette viser sig at være så nemt, at det kunne lade sig gøre for en videnskabsmesse på gymnasiet. Hvis de mikroskopiske vesikler blandes med store molekyler som proteiner eller nukleinsyrer, og derefter sættes gennem en tør-våd cyklus, ender omkring halvdelen af ​​de store molekyler inde i vesiklerne. De glødende lipidvesikler vist i højre panel af mikrofotografiet er sammensat af decansyre, der omgiver DNA-molekyler.

Den nederste linje er, at protoceller er meget nemme at fremstille ved simple selvsamlingsprocesser. Det følger heraf, at sådanne strukturer også forventes at forekomme i et præbiotisk miljø.

Tredje milepæl: Polymersyntese
Alt liv i dag bruger enzymer til at katalysere syntesen af ​​polymerer. Og næsten alle livets polymere molekyler, inklusive proteiner og nukleinsyrer, syntetiseres fra monomerer, der er kemisk aktiverede - det vil sige, de får energien til at gennemgå polymerisering - gennem komplekse metaboliske processer, der udvinder hvad der svarer til et vandmolekyle fra hver enkelt. Ribosomer forbinder aktiverede aminosyrer gennem peptidbindinger for at producere proteiner, og enzymer kaldet polymeraser katalyserer dannelsen af ​​esterbindinger mellem aktiverede nukleotider for at producere nukleinsyrer.

Intet nær så kompliceret kunne være sket før livet begyndte, men en række simplere reaktioner kan også producere interessante polymerer. For eksempel viste James Ferris ved Rensselaer Polytechnic Institute i New York, at et lermineral kaldet montmorillonit fremmer syntesen af ​​polymert RNA fra aktiverede nukleotider. Mineraloverfladerne adsorberer og organiserer nukleotiderne, som derefter lyner op i polymerer. Når RNA-molekyler først er dannet, kan de desuden gennemgå en slags begrænset replikationsproces, der ikke kræver enzymer. Leslie Orgel og hans medarbejdere ved Salk Institute demonstrerede i 1980'erne, at kemisk aktiverede nukleotidmonomerer opstilles på syntetiske RNA-skabeloner ved Watson-Crick-baseparring, som de gør i den dobbelte helix af DNA, og derefter polymeriseres til en anden streng af RNA. .

De afgørende observationer af Orgel, Ferris og andre antydede klart, at noget som RNA kunne have været den første polymer, der blev forbundet med livsprocesser. Yderligere beviser blev leveret, da Thomas Cech ved University of Colorado og Sidney Altman ved Yale fandt ud af, at visse typer RNA havde katalytiske egenskaber, en opdagelse, som de delte en Nobelpris for. Sådanne RNA-molekyler, nu omtalt som ribozymer, kan danne og bryde specifikke kemiske bindinger inden for deres egen struktur i stedet for at være afhængige af proteinenzymer. Opdagelsen af ​​katalytisk RNA fik den nobelvindende kemiker Walter Gilbert ved Harvard til at foreslå en RNA-verden, idet han hævdede, at livet ikke begyndte med de komplekse systemer af DNA, RNA og proteiner, der karakteriserer alt liv i dag. I stedet kunne RNA-molekyler have fungeret som katalysatorer såvel som lagring og transmission af genetisk information. RNA World-konceptet dominerer den nuværende tankegang om livets oprindelse. Forskergrupper ledet af Gerald Joyce ved Scripps Research Institute, David Bartel ved Whitehead Institute og Peter Unrau ved Simon Fraser University forsøger at inkorporere RNA i et selvreplikerende system af molekyler. Det er væsentligt, at de ofte anvender en teknik, hvor evolutionære principper bruges til at udvælge specifikke katalytiske aktiviteter fra blandinger, der indeholder billioner af forskellige RNA-molekyler.

Det bringer os til den næste milepæl.

Ældre end jorden!: Da forfatteren udtog bestemte molekyler fra en fem milliarder år gammel meteorit og lod dem blive våde, samlede de sig selv til cellelignende vesikler (til venstre). Han fandt også ud af, at dekansyre, en fedtsyre til stede i meteoritten, let danner lignende vesikler - dem, der er i stand til at indkapsle DNA (glødende, til højre).

Fjerde milepæl: Evolution of Catalysts
Kan genetisk information på en eller anden måde dukke op i tilfældige blandinger, i det væsentlige tilfældigt? Hvis svaret er nej, så er vi i problemer, fordi de af os, der arbejder med livets oprindelse, hævder, at det er præcis, hvad der skete for fire milliarder år siden, da de første livsformer opstod fra en steril blanding af mineraler, atmosfæriske gasser og fortyndede opløsninger af organiske forbindelser. For at besvare det spørgsmål vil jeg gense et klassisk eksperiment, som David Bartel og Jack Szostak offentliggjorde i 1993, mens Bartel var kandidatstuderende i Szostaks laboratorium. Deres eksperiment er moderat kompliceret, men resultatet er så vigtigt, at det er værd at forklare her. Målet var at se, om et fuldstændigt tilfældigt system af molekyler kunne gennemgå evolutionær selektion på en sådan måde, at molekyler med katalytiske egenskaber kunne udvikle sig. Det første trin var at syntetisere billioner af forskellige RNA-molekyler bestående af cirka 300 nukleotider, arrangeret i tilfældige sekvenser. Bartel og Szostak ræsonnerede, at begravet i disse billioner var nogle få ribozymer, der tilfældigvis katalyserede en ligeringsreaktion, hvor en streng af RNA er forbundet med en anden streng. De udviklede en procedure, der fangede de sjældne molekyler, selvom de kun svagt katalyserede reaktionen. Så brugte de enzymer til at amplificere dem. De amplificerede sekvenser blev sat gennem en anden runde af selektion og amplifikation, og processen blev gentaget i 10 cyklusser.

Resultaterne var forbløffende. Øget katalytisk aktivitet begyndte at vise sig efter fire cyklusser, og efter 10 runder var katalysehastigheden syv millioner gange den ukatalyserede hastighed! Det var endda muligt at se RNA'et udvikle sig. Nukleinsyrer kan mærkes med radioaktivt fosfat, derefter separeres og visualiseres gennem en teknik kaldet gelelektroforese. En blanding af RNA-molekyler placeres i toppen af ​​en gel, og der påføres en spænding på flere hundrede volt, som får molekylerne til at migrere nedad gennem gelen. Større molekyler bevæger sig ikke særlig langt, så de vises som bånd nær toppen af ​​gelen; mindre, hurtigere bevægende molekyler danner bånd nær midten og bunden. I starten af ​​eksperimentet kunne der ikke ses noget i gelerne, fordi RNA-molekylerne alle var forskellige. Men efter tre cyklusser dukkede forskellige bånd op, hvilket betyder, at visse katalytiske arter allerede blev udvalgt. Med yderligere cykling dukkede andre arter op i et par cyklusser og uddøde derefter. Efter 10 cyklusser overlevede to forskellige RNA-arter, hvilket repræsenterede de RNA-molekyler, der var mest effektive til at katalysere ligeringsreaktionen.

Disse resultater demonstrerer et grundlæggende princip for evolution på molekylært niveau. I starten af ​​eksperimentet var hvert RNA-molekyle forskelligt fra alle de andre, men derefter blev der påført en selektiv hindring i form af en ligeringsreaktion, der tillod kun visse molekyler at overleve og reproducere. Resultatet var, at specifikke katalytiske molekyler opstod ved en proces, der nøje afspejlede darwinistisk naturlig udvælgelse. Konklusionen: genetisk information kan faktisk forekomme i tilfældige blandinger, så længe blandingerne begynder med et stort antal polymerer defineret af en række nukleotidsekvenser, hvorfra specifikke sekvenser med en katalytisk egenskab kan udvælges og amplificeres. Det forekommer rimeligt at foreslå, at lignende selektive processer kunne have fundet sted på den præbiotiske Jord, da de første livsformer selv samlede sig i en blanding af organiske forbindelser og derefter begyndte at udvikle sig.

Femte milepæl: Kombinatorisk kemi og affaldssække
De fleste kemikere lærer at lave deres eksperimenter i serier, én om dagen. Men eksperimenter kan også udføres sideløbende med en teknik kaldet kombinatorisk kemi. Denne tilgang er især nyttig i den farmaceutiske industri, hvor det ofte er nødvendigt at eksperimentere med et stort antal forbindelser for at optimere en reaktion eller teste et nyt lægemiddel. En robotanordning indlæser hundredvis eller endda tusindvis af små reaktionskamre med de ønskede blandinger, hvert kammer indeholder en dråbe, der er lidt anderledes end resten. Efter at reaktionen er afsluttet, testes kamrene individuelt for aktivitet.

I mit laboratorium udfører vi en version af kombinatorisk kemi, når vi forbereder liposomer ved at tilsætte vand til et par milligram tørt lipid i en kolbe. Der produceres en mælkeagtig suspension, der ikke indeholder tusinder, men billioner af individuelle mikroskopiske vesikler i størrelsesområdet for små bakterier - en halv mikrometer i diameter. Hvis vesiklerne fremstilles i en opløsning, der indeholder små peptider og korte nukleinsyrer såsom RNA, vil hver af vesiklerne indeholde et andet sæt komponenter, så hver især repræsenterer et mikroskopisk eksperiment. Lad os nu tænke på den tidlige Jord. I stedet for milligram lipid i en kolbe ville den have haft milliarder af tons organisk materiale samlet i et enormt antal mikroskopiske strukturer og en halv milliard år til at udføre eksperimentet.

Livets oprindelse kan metaforisk forstås som kombinatorisk kemi på global skala. Nogle få af de mikroskopiske eksperimenter må have været vellykkede, hvilket resulterede i primitive celler, der er i stand til at opfange energi og næringsstoffer for at vokse ved hjælp af polymerisationsreaktioner. Evolution begyndte, da cellerne fyldte en begrænset niche og konkurrerede om ressourcer. På det tidspunkt tog den naturlige udvælgelse over, hvilket satte en præmie på, hvor effektivt en given celle kunne fange næringsstoffer for at vokse. Jeg forestiller mig, at når først robust cellulært liv kom i gang, udvidede det sig eksponentielt. Jorden, set fra rummet, kan endda være rød eller blevet grøn i et stykke tid, da fotosyntetiske bakterier fyldte havene.

Vil vi nogensinde opdage kombinationen af ​​ingredienser, der gav anledning til liv? Igen, jeg er optimistisk. Vi skal bruge det, vi ved om levende systemers kemi og fysik for at indsnævre mulighederne, og derefter være modige nok til rent faktisk at lave nogle eksperimenter. Men hvilke eksperimenter skal vi prøve? Det er her teorien kan guide os. Freeman Dyson, en af ​​vor tids store teoretiske fysikere, har også interesseret sig for livets oprindelse. I sin bog Origins of Life opsummerer Dyson kort, hvad jeg har fortalt dig:

Livet begyndte med små poser, forstadier til celler, der omsluttede små mængder snavset vand indeholdende diverse affald. En tilfældig samling af molekyler i en pose kan lejlighedsvis indeholde katalysatorer, der forårsager syntese af andre molekyler, der fungerer som katalysatorer til at syntetisere andre molekyler, og så videre. Meget sjældent kan der opstå en samling af molekyler, der indeholder nok katalysatorer til at reproducere hele befolkningen, efterhånden som tiden går. Gengivelsen behøver ikke at være præcis. Det er nok, hvis katalysatorerne vedligeholdes på en grov statistisk måde. Populationen af ​​molekyler i posen reproducerer sig selv uden nogen nøjagtig replikation. Mens dette sker, kan posen vokse ved ophobning af frisk affald udefra, og posen kan lejlighedsvis blive brækket i to poser, når den kastes rundt af turbulente bevægelser. Det kritiske spørgsmål er så, hvad er sandsynligheden for, at en datterpose fremstillet ved opsplitning af en pose med en selvreproducerende population af molekyler selv vil indeholde en selvreproducerende population? Når denne sandsynlighed er større end halvdelen, producerer en forælder i gennemsnit mere end én funktionel datter, en divergerende kædereaktion kan forekomme, poserne med selvreproducerende populationer vil formere sig, og en slags liv er begyndt.

Det liv, der begynder på denne måde, er affaldssækkeverdenen. Det er en verden af ​​små protoceller, der kun metaboliserer og reproducerer sig selv statistisk. De molekyler, de indeholder, kopierer ikke sig selv nøjagtigt. Statistisk reproduktion er et godt nok grundlag for naturlig udvælgelse. Så snart affaldssækkeverdenen begynder med groft reproducerende protoceller, vil naturlig selektion arbejde for at forbedre kvaliteten af ​​katalysatorerne og nøjagtigheden af ​​reproduktionen. Det ville ikke være overraskende, hvis en million års selektion ville producere protoceller med mange af de kemiske raffinementer, som vi ser i moderne celler.

Next Life: Syntetiske celler
Teoretiske begreber som RNA-verdenen og Dysons skraldeposeverden har inspireret eksperimentelle tilgange, hvor systemer af molekyler omsluttet af membraner er tilstrækkeligt komplekse til at have nogle af livets egenskaber. Det ultimative mål er at samle et cellulært system, der kan bruge energi til at vokse gennem en proces med katalyseret polymerisering, replikation af genetisk information og evolution. Flere laboratorier har igangsat sådanne undersøgelser, og der er grund til at tro, at målet om kunstigt liv kan nås i det næste årti. Jeg vil nu fortælle en kort historie om forskning i fremstilling af kunstige celler.

Måske er den første ting at forstå, at samling af et system af molekyler, der er i stand til at reproducere, er gammel nyhed. For mere end 50 år siden opdagede Heinz Fraenkel-Conrat og Robley Williams i Berkeley, at tobaksmosaikvirus kunne adskilles i dets pelsprotein og RNA. Hvis de to komponenter blev blandet sammen, satte de sig sammen til det smitsomme stof. For nylig, i en bemærkelsesværdig udstilling af moderne molekylærbiologiske metoder, fremstillede Jeronimo Cello, Aniko Paul og Eckard Wimmer ved State University of New York ved Stony Brook et funktionelt poliovirusgenom ved at sammenføje hundredvis af mindre fragmenter, der blev syntetiseret ved hjælp af kemiske teknikker. Og for to år siden lykkedes det Hamilton Smith og hans kolleger ved J. Craig Venter Institute i Rockville, MD, at syntetisere et komplet genom af en lille bakterieart kaldet Mycoplasma genitalium . Det tumult, dette forårsagede, er en indikation af, hvad der vil stå over for de første påstande om, at en levende celle er blevet samlet igen fra dens dele.

Syntesen af ​​virale og bakterielle genomer antyder, at endnu mere udfordrende fremstillinger kan være mulige. Vi har i årevis vidst, at spontane selvsamlingsprocesser kan producere overraskende komplekse systemer af funktionelle molekyler. Efraim Racker, der arbejdede på Cornell University, var pioner i indsatsen for at dissekere og rekonstituere mitokondrielle membraner i 1970'erne. Mitokondrier er subcellulære organeller, der er til stede i de fleste celler, og indlejret i deres membraner er enzymer, der fjerner elektroner fra metaboliske produkter afledt af næringsstoffer såsom glukose. Processen kaldes elektrontransport, fordi elektronerne så passerer gennem en kæde af enzymer i mitokondriemembranen og afgives til ilt. Elektrontransporten er tæt koblet til en anden transportproces, hvor positivt ladede protoner afledt af vand pumpes udad, hvilket producerer et elektrisk potentiale på cirka 0,2 volt over membranen. Denne spænding udgør energikilden til syntesen af ​​adenosintrifosfat (ATP), som transporterer kemisk energi inde i celler og derfor driver de fleste livsprocesser. Den universelle mekanisme, hvorved ATP syntetiseres, nu omtalt som kemiosmose, blev foreslået i 1961 af Peter Mitchell, en bemærkelsesværdig britisk videnskabsmand, som senere udførte forskning i sit hjem i Bodmin, Cornwall.

Racker og hans elever opløste mitokondrielle membraner med et rengøringsmiddel kaldet deoxycholsyre. En af hans første opdagelser var, at membranerne indeholdt et enzym, der koblede ATP-syntese til elektrontransport. Han omtalte dette som en koblingsfaktor, men det kaldes nu en ATP-syntase. Racker fandt også ud af, at vaskemidlet kunne fjernes ved dialyse - blot ved at placere den klare opløsning i en pose bestående af et materiale, der ligner cellofan og lade det sidde natten over i en fortyndet saltopløsning. De små vaskemiddelmolekyler sivede ud af posen, men større molekyler kunne ikke komme igennem det porøse materiale. Næste dag var opløsningen uklar, fordi membranøse vesikler indeholdende de originale proteinkomponenter var samlet igen. Vesiklerne var fuldt ud i stand til elektrontransportreaktioner og ATP-syntese. Det var den første rekonstituering af en meget kompleks biologisk funktion.

Omtrent samtidig blev Walther Stoeckenius ved University of California, San Francisco, nysgerrig efter de pigmenterede membraner fra en bakterieart kaldet Halobacterium halobium , som lever i ekstremt saltvand. Stoeckenius og Dieter Oesterhelt var i stand til at isolere det lilla pigment – ​​bacteriorhodopsin – og fandt ud af, at dets funktion var at absorbere lysenergi og bruge energien til at transportere protoner gennem bakteriemembranen. Energien af ​​protongradienten blev derefter brugt til at syntetisere ATP. Racker og Stoeckenius, begge medlemmer af National Academy of Sciences, indledte derefter et sjældent samarbejde mellem to seniorforskere. De brugte Rackers dialysemetode til at rekonstituere et system af membranøse vesikler, der kun indeholdt protonpumpen af ​​lilla membraner og ATP-syntasen fra mitokondrier. I 1974 rapporterede de, at hybridvesiklerne kunne bruge lys som energikilde til at syntetisere ATP. Deres papir tilføjede vægten af ​​beviser, der endelig bekræftede kemiosmotisk syntese af ATP, som Peter Mitchell blev tildelt Nobelprisen for i 1978.

Pointen med denne korte historie er, at en overraskende kompleks biologisk funktion kan rekonstitueres gennem selvsamling af spredte komponenter. Hvorfor ikke prøve at rekonstituere en hel celle? Hvis dette viser sig at være muligt, vil det måske hjælpe os med at udrede, hvad vi mener med liv og endda belyse de vigtigste skridt, der førte til cellelivets oprindelse.

Pier Luigi Luisi og hans forskningsmedarbejdere i Zürich gjorde det første forsøg med at indkapsle ribosomer i lipidvesikler i 1999 sammen med en syntetisk form for RNA, der fortalte ribosomerne at inkorporere aminosyren phenylalanin i et protein. Et par korte peptider blev produceret, men lipid-dobbeltlag er uigennemtrængelige for aminosyrer, så syntesen var begrænset til de phenylalaniner, der tilfældigvis var inde i vesiklerne. Vincent Noireaux og Albert Libchaber ved Rockefeller University havde en smart løsning på permeabilitetsproblemet: hvorfor ikke tilføje en kanal til lipid-dobbeltlaget i vesiklerne? De rapporterede i 2004, at det var lykkedes dem at indkapsle et komplet oversættelsessystem isoleret fra E coli sammen med messenger-RNA, der styrer ribosomal syntese af grønt fluorescerende protein (GFP) og af hæmolysin, et protein, der tjener som en kanal, der tillader eksternt tilsatte aminosyrer og ATP at trænge ind i vesiklerne. Systemet virkede så længe som fire dage, og ved slutningen af ​​inkubationsperioden lyste vesiklerne grønt fra den akkumulerede GFP. Tetsuya Yomo og hans forskergruppe ved Osaka University er gået et skridt videre med et lignende indkapslet translationssystem, hvor GFP-genet er til stede i en DNA-streng. De omtaler deres system som en genetisk kaskade, fordi GFP-genet transskriberes til messenger-RNA, som derefter styrer syntesen af ​​proteinet.

Disse indkapslede translationssystemer udviser en fundamental egenskab ved livet: de bruger genetisk information til at syntetisere et protein, men der produceres kun nogle få specifikke proteiner, og alt andet er efterladt. For virkelig at være i live ville protocellerne have brug for en DNA-streng med gener for mere end 200 forskellige proteiner og RNA-arter, herunder gener for et polymeraseenzym, så DNA'et kan replikeres. Enzymer, der katalyserer lipidsyntese, skal også være til stede, fordi membrangrænsen skal vokse. Transportproteiner skal inkorporeres i lipid-dobbeltlaget; ellers har vesiklerne ingen adgang til eksterne kilder til næringsstoffer og energi. Et helt sæt reguleringsprocesser bør også være på plads, så al denne vækst koordineres. Endelig, når vesiklerne vokser til cirka det dobbelte af deres oprindelige størrelse, skal de dele sig i datterceller, der deler den originale genetiske information.

Det følger heraf, at selv det simpleste liv i dag er forbløffende komplekst og ikke kunne være opstået på den tidlige Jord med et komplet supplement af hundredvis af gener. Der må have været noget enklere – en slags stilladsliv, der blev efterladt i det evolutionære affald for flere milliarder år siden. I betragtning af alt dette, hvor sandsynligt er det, at det ultimative løfte om syntetisk biologi vil blive opfyldt - at en kunstig version af en primitiv levende celle kan samles? Det bedste bud er sandsynligvis et ribozym, der katalyserer sin egen komplette syntese fra ATP, UTP, GTP og CTP - de fire nukleotidmonomerer af RNA - ved hjælp af genetisk information kodet i dets struktur. Hvis nogen lykkes, vil vi have den væsentlige egenskab i hånden, som hidtil mangler i kunstige cellemodeller: reproduktion af selve katalysatoren. Givet et sådant ribozym ved vi allerede, hvordan man inkorporerer det i et system af lipidvesikler, der kan vokse sammen med ribozymet og tillade næringsnukleotider at komme ind i cellen for at understøtte vækst. De indkapslede ribozymer vil have kapacitet til at udvikle sig, som Bartel og Szostak demonstrerede for 15 år siden. Kort sagt, systemet vil være i live.

Og hvad sker der så? Der vil selvfølgelig være overskrifter; lærebøger vil blive omskrevet; og tidligt om morgenen vil nogen formentlig blive vækket af et telefonopkald fra Stockholm. Men når alt kommer til alt, dør bulderet ned; en anden vil spørge: Nå, hvad så? Det samme spørgsmål kunne have været stillet, da dobbelthelix-strukturen af ​​DNA blev offentliggjort i 1953. Størrelsen af ​​opdagelsen var først åbenbar år senere. Jeg tror, ​​at det første system af molekyler, der er i stand til at reproducere sig selv, også vil synes at være en akademisk øvelse i starten. Men for at sætte det i det rigtige perspektiv, så husk, at mad, antibiotika, olie, træ, metan og brint produceres af levende celler, der er et resultat af mere end tre milliarder års evolution. Jeg tror, ​​at den næste revolution inden for teknologi vil begynde, når livets syntetiske funktioner kan udføres af forenklede versioner af celler, der er designet ud fra tegninger snarere end gennem evolution.

David Deamer er forskningsprofessor i biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of California, Santa Cruz. Han er i øjeblikket ved at skrive en bog om livets oprindelse, som skal udgives af University of California Press.

skjule