biotechnologia


 
 

Świat RNA

<img src="http://e-biotechnologia.pl/obrazki/swiat.jpg" align="left" alt="świat" HSPACE=5 VSPACE=5 />autor: Grzegorz Góralski
źródło: http://www.ewolucja.org/d3/d31-1a.html
Dzięki uprzejmości serwisu: http://www.ewolucja.org


ŚWIAT RNA

W niniejszym artykule poruszam problem powstania życia na Ziemi. Poruszam tutaj głównie hipoteze tzw. "Świata RNA". Chcę jednak zaznaczyć że hipoteza "Świata RNA" jest jedną z wielu istniejących choć niewątpliwie należy do tych które dzisiaj mają największe znaczenie.
Muszę na początku, aby uniknąć nieporozumień, podkreślić że nie wiemy jak życie powstało i być może nigdy tego na pewno nie bedziemy wiedzieć. Szukanie jednak możliwych dróg powstania i dalszej komplikacji życia jest jednak moim zdaniem fascynującym zadaniem i nawet jeśli jakaś hipoteza która ładnie wyjaśni nam jak mogło powstać życie na naszej planecie bedzie się mijała z rzeczywistością, być może bedzie prawdziwa dla innego życia, na innej planecie gdzieś tam w odległej galaktyce... wink

Generalnie powstanie i rozwój życia na Ziemi mozna przedstawić w trzech, głównych etapach:
1. Ewolucja chemiczna, w wyniku której z prostych zwiazków powstały skomplikowane cząsteczki organiczne.
2. Samoorganizacja powstałych związków organicznych w replikujące się struktury. Na tym etapie nastapilo przejscie z martwych kompleksow organicznych do pierwszych żyjacych organizmów.
3. Ewolucja biologiczna prowadząca w konsekwencji do dzisiejszego zróżnicowania życia.

Jednym z głównych zagadek dotyczących pochodzenia życia na Ziemi jest powstanie pierwszego replikatora. Pod tym pojęciem rozumiem strukturę zdolną do samopowielania się a także do ewolucji drogą mutacji (czyli błędów w kopiowaniu się) oraz doboru naturalnego. Dzisiaj takimi replikatorami są przede wszystkim żywe organizmy. Jednak nawet najprostsze komórki zdolne do autoreplikacji są na tyle skomplikowanymi tworami że ich przypadkowe powstanie od razu w zbliżonej do dzisiejszej formie jest zdecydowanie odrzucane przez większość badaczy.

W dzisiejszych komórkach rolę nośnika informacji genetycznej pełni DNA. Zawiera on zapis sekwencji RNA które jest tworzone na matrycy DNA dzięki zasadzie parowania się zasad azotowych, a następnie na podstawie nici mRNA tworzone są białka. Białka w każdym znanym organizmie pełnią bardzo różne role, zapewniające prawidłowe funkcjonowanie komórki.
Mają one tą interesującą właściwośc że dzięki praktycznie nieskończonej liczbie kombinacji występujących w nich 20-stu różnych aminokwasów, mogą przyjmować bardzo różną budowę i pełnić bardzo rózne funkcje. Dla naszych rozważań najistotniejsze jest to że mogą pełnić rolę enzymatyczną, czyli katalizować przebieg najróżniejszych reakcji spośród których niezwykle ważną jest replikacja DNA, dzięki czemu możliwe jest powielanie informacji genetycznej.

Tak więc białka powstają a podstawie DNA, a DNA powstaje dzięki białkom. W rozważaniach na temat początków życia na Ziemi nieuchronnie pojawia się pytanie: co powstało najpierw w ewolucji, DNA czy białka? Dylemat ten przypomina klasyczny problem kury i jajka. Wydawało się bowiem że białka nie mogą się "rozmnażac" bez DNA a DNA nie może być powielane bez białek, bowiem DNA nie wykazuje własności enzymatycznych (co jak się okazało później do końca nie jest prawdą) a z kolei nie bardzo wiadomo było jak białko mogłoby pełnić rolę nośnika informacji genetycznej.

Przy całym tym zamieszaniu łatwo nie docenić roli trzeciego rodzaju cząsteczek uczestniczącym w tym zamkniętym cyklu zycia, mianowicie RNA. Uwagę na RNA zwróciło przede wszystkim odkrycie że tego typu cząsteczki nie tylko mogą pełnić rolę nośnika informacji genetycznej, co było oczywiste, ale również ze wykazują oprócz tego właściwości enzymatyczne. To było to! Wreszcie znaleziono cząsteczke która pozwalała wyjść spoza zaklętego kręgu DNA-białko-DNA-...

Pierwszy rybozym (tak bowiem nazwano cząsteczki RNA wykazujące aktywność enzymatyczną) odkrył w 1981 r. Thomas Cech i współpracownicy (co zostało zreszta uhonorowane nagrodą Nobla).
Co ciekawe, ten pierwszy znaleziony rybozym przeprowadzał operacje na samym sobie, mianowicie fragment RNA wycinał sam siebie z dłuższego fragmentu mRNA a następnie lączył wolne końce mRNA. Tak więc okazało się że RNA może pełnić rolę enzymu, ale czy może ewoluować?

Inna seria doswiadczeń, które przeprowadzano jeszcze przed odkryciami zespołu Cecha, mających istotne znaczenie dla naszego zrozumienia procesów które mogły dać początek życiu, byly doświadczenia nad tzw. "ewolucją w próbówce". Klasycznym przykładem tych doświadczeń są eksperymenty z użyciem Qß replikazy. Qß replikaza jest enzymem występującym w wirusie Qß infekującym bakterie E. coli i ma tą interesująca właściwość że doskonale nadaje się do kopiowania cząsteczek RNA in vitro (czyli "w probówce"), przy czym zależnie od sekwencji nukleotydów w cząsteczce RNA kopiuje ją łatwiej lub trudniej.

Jeśli więc umieścimy w próbówce Qß (Q beta) replikazę, cząsteczki RNA służące jako matryce do kopiowania, monomery budujące RNA (ADP, GTP, UTP oraz CTP) oraz zapewnimy odpowiednie środowisko w roztworze (pH, stężenie soli itd.) enzym zacznie kopiować łańcuchy RNA.
Kopiowanie to jednak nie jest idealne, mniej więcej 1/10 000 nukleotydów/replikację pojawia się błąd w kopiowaniu czyli po prostu mutacja. W praktyce doświadczenie wygląda w ten sposób że w próbówce umieszcza się wszystkie potrzebne składniki, po jakimś czasie pobiera się z niej kroplę i wpuszcza ją do następnej probówki zawiekrającej Qß replikazę oraz monomery, po pewnym czasie znów się pobiera kroplę itd...

Jak wspomniałem, jedne cząsteczki RNA są kopiowane bardziej wydajnie od innych, na co ma wplyw dlugość łańcucha oraz sekwencja nukleotydów. Mutacje mogą powodować zwiększenie wydajności kopiowania danej cząsteczki lub też spowodować że będzie ona replikowana gorzej. Dochodzi w tej sytuacji do swego rodzaju współzawodnictwa między cząsteczkami czyli doboru.
Tak więc mamy tu do czynienia z istnieniem podstawowych mechanizmów ewolucji czyli zmienności genetycznej, mutacji pozwalających na pojawianie się nowych sekwencji oraz doboru. Można się więc spodziewać iż w tym układzie zaobserwujemy ewolucję na poziomie cząsteczkowym.

Rzeczywiście, jeśli na początku do roztworu zawierającego Qß replikazę oraz monomery doda się jakis typ RNA, obserwuje sie w trakcie doświadczenia zwiększanie różnorodności cząsteczek a potem jej zmniejszanie i w końcu otrzymuje sie populacje cząsteczek RNA o bardzo zbliżonej budowie replikujących się z maksymalną w danych warunkach wydajnością (czyli cząsteczki najlepiej dostosowane do tych warunków). Co ciekawe, jeśli do roztworu w którym przebiega reakcja doda się jakiegoś związku który hamuje proces replikacji to replikacja na jakiś czas mocno zwalnia ale po jakimś czasie pojawiają się w roztworze cząsteczki RNA o takiej budowie, że się skutecznie replikują w zmienionych warunkach.
Tak więc w zależności od "niszy ekologicznej" do której dostosowuje sie RNA, ewolucja tych cząsteczek przebiega w różnych kierunkach. Podobne warunki zwykle prowadzą do wytworzenia podobnych produktów tej selekcji. Co ciekawe, jako jeden z produktów tych doświadczeń otrzymano odcinek RNA który jest bardzo podobny do struktury znajdowanej w zainfekowanych E. coli. W warunkach naturalnych jest on jakby "superpasożytem" włączającym sie do genomu wirusa Qß. Tak więc in vitro, drogą ślepych mutacji i doboru otrzymaliśmy strukturę RNA wystepującąa w naturze, a przynajmniej bardzo do niej podobną.

Interesujące było również spostrzeżenie że w roztworze do którego nie dodano na początku żadnej cząsteczki RNA, po jakimś czasie również pojawiało się RNA i następnie ewoluowało. Wygląda więc na to że Qß replikaza może zsytetyzować RNA również bez udziału matrycy.

Tego typu doświadczenia nie byly oczywiście dokładną symulacją procesów które zachodziły miliardy lat temu na Ziemi. Przede wszystkim dlatego że do replikacji RNA niezbędne było białko, oraz dlatego że warunki w jakich przebiegało doświadczenie zapewne daleko odbiegało od tych które miały miejsce w czasie kiedy na naszej planecie rodziło się życie. Jednakże ważnym wnioskiem wynikłym z tych doświadczeń było to że wykazano doświadczalnie iż ewolucja może zachodzić na poziomie molekularnym i że RNA jest dobrym obiektem podlegającym ewolucji.
W dalszych etapach badań należalo więc dążyć do wyeliminowania konieczności równoległego występowania jednego ze składników czyli białka lub RNA a także starać się znaleść warunki bardziej odpowiadające tym które mogły panować na Ziemi. Jak już wiemy, dzięki odkryciu rybozymów, wydaje się że problem koniecznej obecności białka dla replikacji RNA został wyeliminowany.

Odkrycie rybozymów oraz doświadczalne wykazanie ewolucji molekularnej dało podstawę do sformułowania hipotezy "Świata RNA" zwaną również od nazwiska autora "Teorią Eigena". Niewątpliwą zaletą tej hipotezy jest to że wg. niej życie można wyprowadzić od pojedynczej, lub kilku, cząsteczek zdolnych do autoreplikacji. Przy czym RNA spełniałoby to podwójną rolę, zarówno genotypu jak i fenotypu.
Wedle omawianej hipotezy po powstaniu koniecznych związków organicznych, powstały samoreplikujące się cząsteczki RNA , po pewnym czasie powstały kompleksy RNA-białko które lepiej spełniały funkcje katalityczne, póżniej prakomórki i w końcu pojawił się dzisiejszy schemat dziedziczenia DNA->RNA->białko.

Ogólne spekulacje oczywiście nie zadowoliły wszytkich i naturalnym celem dalszych badań stało się z jednej strony poznanie rzeczywistych możliwości RNA jako enzymu a przede wszytkim szukanie "Świętego Graala" zwolenników "Świata RNA" czyli takiej cząsteczki która potrafiłaby samodzielnie się zreplikować.
Co ciekawe, jako metody szukania rybozymów o żądanych własnościach stosuje się właśnie selekcji RNA o żądanych właściwościach z puli cząsteczek RNA o przypadkowej (!) budowie oraz różne formy ewolucji "w próbówce".

Jack W. Szostak i Rachel Green skonstruowali niewielki rybozym który miał ciekawe właściwości. Był on w stanie zarówno replikować cząsteczki RNA przy użyciu krótszych łańcuchów nukleotydów, jak i być matrycą do tej replikacji.
Był to ważny krok, gdyż pokazano w ten sposób że RNA jest zdolne do autoreplikacji, jednak otrzymany rybozym wciąż nie był dokładnie tym czego szukano, gdyż nie potrafił przeprowadzić pełnej replikacji, korzystając z pojedynczych nukleotydów jako substratów. Ostatnio udało się również rybozymy zdolne do polimeryzacji kilkunasto-nukleotydowych odcinków RNA o przypadkowej sekwencji.
Poza tym udało się otrzymać rybozymy o bardzo różnych funkcjach. Ostatnio przeprowadzono ciekawy eksperyment w którym otrzymano cząsteczke RNA zdolną do katalizowania dwu różnych reakcji. Później udało się przeprowadzic udaną ewolucje tej cząsteczki do dwu różnych cząsteczek RNA posiadających różne właściwości katalityczne. Przez cały czas ewolucji, cząsteczki te nie traciły swoich właściwości enzymatycznych.

Hipoteza "Swiata RNA" jakkolwiek jest bardzo pociągająca ma jednak kilka mankamentów. Po pierwsze nie bardzo wiadomo jak mogły powstać monomery które mogłyby służyc do budowy RNA. Po drugie kłopotliwe było wyjaśnienie jak mogły wogóle spontanicznie powstać cząsteczki RNA, choć ten problem ostatnio wydaje się być powoli rozwiązywany. Mianowicie okazało się że niektóre minerały są w stanie katalizować powstawanie nici RNA. Udało się zaobserwować powstawanie tą drogą cząsteczek RNA dłuższych niż 50 nukleotydów a jest to wielkośc wystarczająca do pełnienia roli katalitycznej.
Następnym problemem jest to że w zasadzie nie wystarczy jedna cząsteczka o zdolnościach katalitycznych aby rozpocząć ewolucje, bowiem taka cząsteczka nie byłaby w stanie przeprowadzić replikacji samej siebie, a dokładnie aktywnego miejsca przeprowadzającego proces replikacji. Tak więc powinniśmy więc otrzymać co najmniej dwie takie cząsteczki w bliskim sąsiedztwie.
Rozwiązaniem tego problemu być może leży w katalizowaniu replikacji np. przez minerały takie jak iły. W końcu należy zwrócić uwage na to że pierwszy replikator musiał byc zdolny do dość dokładnej autreplikacji, inaczej błędy gromadziłyby się szybciej niż byłyby odsiewane przez dobór i cząsteczki szybko by zdegenerowały. Tak więc na pewno potrzebne są dalsze doświadczenia które pomogą nam zrozumieć jakie rzeczywiście możliwości drzemią w RNA i czy mogło (i ewentualnie jak) mogło zapoczątkować życie na Ziemi.


źródło: http://www.ewolucja.org/d3/d31-1a.html

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

221 anonymous users oraz 0 registered users online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u