- Del en: Hur man skapar en cell -
- Del två: En uppdelning i forskarnas rader -
- Del fyra: protonernas energi -
- Del fem: så hur skapar du en cell? -
Del sex: Den stora föreningen -
Så efter 1960-talet föll forskare som försökte förstå livets ursprung i tre grupper. Några av dem var övertygade om att livet började med bildandet av primitiva versioner av biologiska celler. Andra trodde att det metaboliska systemet var det viktigaste första steget, medan andra fokuserade på vikten av genetik och replikering. Denna sista grupp började ta reda på hur den första replikatorn kan se ut, förutsatt att den var gjord av RNA.
Redan på 1960-talet hade forskare anledning att tro att RNA var källan till allt liv.
I synnerhet kan RNA göra något som DNA inte kan. Det är en ensträngad molekyl, så till skillnad från styvt, dubbelsträngat DNA, kan den fälla sig in i ett antal olika former.
I likhet med origami var det vikbara RNA i allmänhet liknande beteende som proteiner. Proteiner är också mest långa kedjor - endast av aminosyror, inte nukleotider - och detta gör att de kan skapa komplexa strukturer.
Detta är nyckeln till den mest fantastiska förmågan hos proteiner. Vissa av dem kan påskynda eller "katalysera" kemiska reaktioner. Sådana proteiner är kända som enzymer.
Många enzymer kan hittas i dina tarmar, där de bryter ned komplexa molekyler från mat till enkla typer av socker som dina celler kan använda. Det skulle vara omöjligt att leva utan enzymer.
Leslie Orgel och Frances Crick började misstänka något. Om RNA kan vika som ett protein, kanske det kan bilda enzymer? Om detta var sant, kan RNA vara en original - och universell - levande molekyl, lagra information, som DNA gör nu, och katalysera reaktioner, som vissa proteiner gör.
Det var en bra idé, men på tio år har det inte fått något bevis.
Kampanjvideo:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech är född och uppvuxen i Iowa. Som barn fascinerades han av stenar och mineraler. Och redan på gymnasiet såg han på det lokala universitetet och knackade på geologernas dörrar med en begäran om att visa modeller av mineralstrukturer.
Men han blev så småningom biokemist och fokuserade på RNA.
I början av 1980-talet studerade Cech och kollegor vid University of Colorado i Boulder den encelliga organismen Tetrahymena thermophila. En del av dess mobila maskiner inkluderar RNA-trådar. Cech upptäckte att ett enda RNA-segment på något sätt separerades från resten, som om det hade klippts ut med sax.
När forskarna tog bort alla enzymer och andra molekyler som kunde fungera som molekylsax fortsatte RNA att utsöndras. Så de hittade det första RNA-enzymet: ett kort stycke RNA som kan klippa sig ur den långa strängen som det är en del av.
Cech publicerade resultaten av sitt arbete 1982. Året efter upptäckte en annan grupp forskare ett andra RNA-enzym, "ribozym" (kort för "ribonukleinsyra" och "enzym", alias enzym). Upptäckten av två RNA-enzymer efter varandra antydde att det måste finnas många fler. Och så idén att starta livet med RNA började se solid ut.
Emellertid gavs namnet på denna idé av Walter Gilbert från Harvard University i Cambridge, Massachusetts. Som fysiker med fascination för molekylärbiologi blev Gilbert också en av de tidiga förespråkarna för sekvensering av det mänskliga genomet.
1986 skrev Gilbert i Nature att livet började i "RNA-världen."
Det första utvecklingsstadiet, hävdade Gilbert, bestod av "RNA-molekyler som utför den katalytiska aktiviteten som behövs för att sätta sig i en buljong av nukleotider." Genom att kopiera och klistra in olika bitar av RNA tillsammans kan RNA-molekyler skapa ännu mer användbara sekvenser. Slutligen hittade de ett sätt att skapa proteiner och proteinenzymer som visade sig vara så användbara att de till stor del ersatte RNA-versionerna och gav upphov till det liv vi har.
RNA World är ett elegant sätt att bygga om komplexa liv från början. I stället för att förlita sig på att samtidigt bilda dussintals biologiska molekyler från en primordial soppa, kan en "en för alla" -molekyl göra jobbet.
År 2000 fick RNA-världshypotesen en kolossal bit av bevis.
Ribosomen tillverkar proteiner
Thomas Steitz tillbringade 30 år på att studera strukturen hos molekyler i levande celler. På 1990-talet ägnade han sig åt sin allvarligaste uppgift: att ta reda på strukturen på ribosomen.
Det finns en ribosom i varje levande cell. Denna enorma molekyl läser instruktioner i RNA och ordnar aminosyror för att göra proteiner. Ribosomerna i dina celler har byggt större delen av din kropp.
Det var känt att ribosomen innehöll RNA. Men 2000 producerade Steitz team en detaljerad bild av ribosomstrukturen, som visade att RNA var den katalytiska kärnan i ribosomen.
Detta var viktigt eftersom ribosomen är grundläggande viktig för livet och mycket forntida samtidigt. Det faktum att denna väsentliga maskin byggdes på RNA gjorde RNA-världshypotesen ännu mer trolig.
Anhängare av "RNA-världen" segrade och 2009 fick Steitz en del av Nobelpriset. Men sedan dess har forskare börjat tvivla. Från början hade idén om en "RNA-värld" två problem. Kan RNA verkligen utföra alla livets funktioner på egen hand? Kan det ha bildats på den tidiga jorden?
Det har gått 30 år sedan Gilbert lade grunden för "RNA-världen", och vi har fortfarande inte hittat fasta bevis på att RNA kan göra allt som teorin kräver av den. Det är en liten skicklig molekyl, men den kanske inte kan göra allt.
En sak var tydlig. Om livet började med en RNA-molekyl, måste RNA kunna göra kopior av sig själv: det måste vara självreplikerande, självreplikerande.
Men inget av de kända RNA: erna kan replikera sig själv. Så är DNA. De behöver en bataljon av enzymer och andra molekyler för att skapa en kopia eller en bit av RNA eller DNA.
Därför, i slutet av 1980-talet, inledde flera forskare en mycket kvixotisk uppdrag. De beslutade att skapa ett självreplikerande RNA på egen hand.
Jack Shostak
Jack Shostak från Harvard School of Medicine var en av de första som deltog. Som barn var han så fascinerad av kemi att han startade ett laboratorium i källaren i huset. Han försummade sin egen säkerhet och startade till och med en explosion, varefter ett glasrör satt fast i taket.
I början av 1980-talet hjälpte Shostak att visa hur gener skyddar sig mot åldrandet. Denna ganska tidiga studie fick honom slutligen ett stycke av Nobelpriset. Men mycket snart beundrade han Cechs RNA-enzymer.”Jag tyckte det här jobbet var fantastiskt,” säger han. "I princip är det helt möjligt att RNA katalyserar sin egen reproduktion."
1988 upptäckte Cech ett RNA-enzym som kan bygga en kort RNA-molekyl 10 nukleotider lång. Shostak beslutade att förbättra upptäckten genom att producera nya RNA-enzymer i laboratoriet. Hans team skapade en uppsättning slumpmässiga sekvenser och testade för att se om någon av dem hade katalytiska förmågor. Sedan tog de dessa sekvenser, omarbetade dem och testade dem igen.
Efter tio omgångar av sådana åtgärder producerade Shostak ett RNA-enzym som accelererade reaktionen med sju miljoner gånger. Han visade att RNA-enzymer kan vara riktigt kraftfulla. Men deras enzym kunde inte kopiera sig själv, inte ens något. Shostak var i en återvändsgränd.
Kanske började livet inte med RNA
Nästa stora steg togs 2001 av den tidigare Shostak-studenten David Bartel från Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Bartel tillverkade R18 RNA-enzymet som kunde lägga till nya nukleotider till RNA-strängen baserat på en befintlig mall. Med andra ord, han lägger inte till slumpmässiga nukleotider: han kopierade sekvensen korrekt.
Även om det ännu inte var en självreplikator, men redan något liknande. R18 bestod av en kedja av 189 nukleotider och kunde tillförlitligt lägga till 11 nukleotider till kedjan: 6% av sin egen längd. Man hoppades att några justeringar skulle tillåta honom att bygga en 189 nukleotidkedja - precis som han själv.
Det bästa gjordes av Philip Holliger 2011 från Molecular Biology Laboratory i Cambridge. Hans team skapade en modifierad R18 kallad tC19Z som kopierade sekvenser upp till 95 nukleotider i längd. Det är 48% av sin egen längd: mer än R18, men långt från 100%.
En alternativ metod föreslogs av Gerald Joyce och Tracy Lincoln från Scripps Institute i La Jolla, Kalifornien. 2009 skapade de ett RNA-enzym som replikeras indirekt. Deras enzym kombinerar två korta bitar av RNA för att skapa ett andra enzym. Den kombinerar sedan de andra två bitarna av RNA för att återskapa det ursprungliga enzymet.
Med tanke på tillgängligheten av råmaterial kan denna enkla cykel fortsättas på obestämd tid. Men enzymer fungerade bara när de fick rätt RNA-strängar, vilket Joyce och Lincoln var tvungna att göra.
För många forskare som är skeptiska till "RNA-världen" är bristen på självreplikerande RNA ett dödligt problem med denna hypotes. RNA kan tydligen helt enkelt inte ta och starta livet.
Problemet förvärrades också av att kemisterna inte skapat RNA från början. Det verkar vara en enkel molekyl jämfört med DNA, men det är extremt svårt att göra det.
Problemet ligger i sockret och basen som utgör varje nukleotid. Du kan göra var och en för sig, men de vägrar envist att engagera sig. I början av 1990-talet hade detta problem blivit uppenbart. Många biologer har misstänkt att hypotesen "RNA-världen", trots all sin attraktivitet, kanske inte är helt korrekt.
Istället kan det ha förekommit någon annan typ av molekyl på den tidiga jorden: något enklare än RNA, som faktiskt skulle kunna plocka upp sig själv från den ursprungliga soppan och börja reproducera sig själv. Först kunde det finnas denna molekyl, som sedan ledde till RNA, DNA och så vidare.
DNA kunde knappast ha bildats på den tidiga jorden
1991 kom Peter Nielsen från Köpenhamns universitet i Danmark med en kandidat för primära replikatorer.
Det var i huvudsak en kraftigt modifierad version av DNA. Nielsen behöll samma baser - A, T, C och G - som finns i DNA - men gjorde ryggraden från molekyler som kallas polyamider, snarare än från socker, som också finns i DNA. Han namngav den nya molekylen polyamid nukleinsyra, eller PNA. På ett obegripligt sätt har det sedan dess blivit känt som en peptidnukleinsyra.
PNA har aldrig hittats i naturen. Men det uppträder nästan som DNA. PNA-strängen kan till och med ta platsen för en av DNA-molekylens strängar, och baserna är parade som vanligt. Dessutom kan PNA vridas till en dubbel spiral, som DNA.
Stanley Miller var fascinerad. Djupt skeptisk till RNA-världen misstänkte han att PNA var en mycket mer trolig kandidat för det första genetiska materialet.
År 2000 producerade han några fasta bevis. Då fyllde han redan 70 år och hade drabbats av flera slag som kunde skicka honom till ett vårdhem, men han gav inte upp. Han upprepade sitt klassiska experiment, som vi diskuterade i det första kapitlet, denna gång med metan, kväve, ammoniak och vatten - och fick en polyamidbas PNA.
Detta antydde att PNA, till skillnad från RNA, mycket väl kunde ha bildats på den tidiga jorden.
Threos nukleinsyramolekyl
Andra kemister har kommit med sina egna alternativa nukleinsyror.
År 2000 tillverkade Albert Eschenmoser treosnukleinsyra (TNK). Det är samma DNA, men med ett annat socker i basen. TNC-kedjor kan bilda en dubbel spiral, och information kopieras i båda riktningarna mellan RNA och TNK.
Dessutom kan TNC: er vikas in i komplexa former och till och med binda till proteiner. Detta antyder att TNK kan fungera som ett enzym, som RNA.
2005 tillverkade Eric Megges en glykolisk nukleinsyra som kan bilda spiralformade strukturer.
Var och en av dessa alternativa nukleinsyror har sina egna förespråkare. Men inga spår av dem kan hittas i naturen, så om det första livet verkligen använde dem, måste det vid någon tidpunkt helt överge dem till förmån för RNA och DNA. Detta kan vara sant, men det finns inga bevis.
Som ett resultat, i mitten av 2000-talet, befann sig anhängare av RNA-världen sig i en kvarter.
Å ena sidan existerade RNA-enzymer och inkluderade en av de viktigaste delarna av biologisk teknik, ribosomen. Bra.
Men självreplikerande RNA hittades inte och ingen kunde förstå hur RNA bildades i den ursprungliga soppan. Alternativa nukleinsyror skulle kunna lösa det senare problemet, men det finns inga bevis för att de fanns i naturen. Inte så bra.
Den uppenbara slutsatsen var att "RNA-världen", trots sin attraktivitet, visade sig vara en myt.
Under tiden fick en annan teori gradvis fart sedan 1980-talet. Dess anhängare hävdar att livet inte började med RNA, DNA eller annat genetiskt material. Istället började det med en mekanism för att utnyttja energi.
Livet behöver energi för att hålla sig vid liv
ILYA KHEL
- Del en: Hur man gör en cell -
- Del två: En uppdelning i forskarnas rader -
- Del fyra: protonernas energi -
- Del fem: så hur skapar du en cell? -
Del sex: Den stora föreningen -
