- Teil eins: Wie man eine Zelle baut -
- Teil zwei: Eine Aufteilung in die Reihen der Wissenschaftler -
- Teil vier: die Energie der Protonen -
- Teil fünf: Wie schafft man eine Zelle? -
- Sechster Teil: Die große Vereinigung -
Nach den 1960er Jahren fielen Wissenschaftler, die versuchten, den Ursprung des Lebens zu verstehen, in drei Gruppen. Einige von ihnen waren überzeugt, dass das Leben mit der Bildung primitiver Versionen biologischer Zellen begann. Andere glaubten, das Stoffwechselsystem sei der wichtigste erste Schritt, während andere sich auf die Bedeutung von Genetik und Replikation konzentrierten. Diese letzte Gruppe begann herauszufinden, wie der erste Replikator aussehen könnte, vorausgesetzt, er wurde aus RNA hergestellt.
Bereits in den 1960er Jahren hatten Wissenschaftler Grund zu der Annahme, dass RNA die Quelle allen Lebens ist.
Insbesondere kann RNA etwas tun, was DNA nicht kann. Es ist ein einzelsträngiges Molekül und kann sich im Gegensatz zu starrer doppelsträngiger DNA in verschiedene Formen falten.
Ähnlich wie bei Origami war das Verhalten der faltenden RNA im Allgemeinen ähnlich wie bei Proteinen. Proteine sind meistens auch lange Ketten - nur aus Aminosäuren, nicht aus Nukleotiden - und dies ermöglicht es ihnen, komplexe Strukturen zu erzeugen.
Dies ist der Schlüssel zu den erstaunlichsten Fähigkeiten des Proteins. Einige von ihnen können chemische Reaktionen beschleunigen oder „katalysieren“. Solche Proteine sind als Enzyme bekannt.
Viele Enzyme befinden sich in Ihrem Darm, wo sie komplexe Moleküle aus der Nahrung in einfache Zuckerarten zerlegen, die Ihre Zellen verwenden können. Ohne Enzyme wäre es unmöglich zu leben.
Leslie Orgel und Frances Crick begannen etwas zu ahnen. Wenn sich RNA wie ein Protein falten kann, kann sie vielleicht Enzyme bilden? Wenn dies wahr wäre, könnte RNA ein ursprüngliches - und universelles - lebendes Molekül sein, das Informationen speichert, wie es die DNA jetzt tut, und Reaktionen katalysiert, wie es einige Proteine tun.
Es war eine großartige Idee, aber in zehn Jahren hat es keinen Beweis mehr bekommen.
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Thomas Cech, 2007
Thomas Cech wurde in Iowa geboren und ist dort aufgewachsen. Als Kind war er fasziniert von Steinen und Mineralien. Und schon in der Junior High School schaute er sich die örtliche Universität an und klopfte an die Türen von Geologen mit der Bitte, Modelle von Mineralstrukturen zu zeigen.
Schließlich wurde er Biochemiker und konzentrierte sich auf RNA.
In den frühen 1980er Jahren untersuchten Cech und Kollegen an der Universität von Colorado in Boulder den einzelligen Organismus Tetrahymena thermophila. Ein Teil seiner zellulären Maschinerie umfasst RNA-Stränge. Cech entdeckte, dass ein einzelnes RNA-Segment irgendwie vom Rest getrennt war, als wäre es mit einer Schere herausgeschnitten worden.
Als die Wissenschaftler alle Enzyme und andere Moleküle entfernten, die als molekulare Schere fungieren könnten, wurde die RNA weiterhin sekretiert. So fanden sie das erste RNA-Enzym: ein kurzes Stück RNA, das sich aus dem langen Strang herausschneiden kann, zu dem es gehört.
Cech veröffentlichte die Ergebnisse seiner Arbeit im Jahr 1982. Im folgenden Jahr entdeckte eine andere Gruppe von Wissenschaftlern ein zweites RNA-Enzym, "Ribozym" (kurz für "Ribonukleinsäure" und "Enzym", auch bekannt als Enzym). Die Entdeckung von zwei RNA-Enzymen nacheinander zeigte, dass es noch viel mehr geben muss. Und so sah die Idee, das Leben mit RNA zu beginnen, solide aus.
Der Name dieser Idee wurde jedoch von Walter Gilbert von der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, gegeben. Als Physiker mit einer Faszination für die Molekularbiologie wurde Gilbert auch einer der frühen Befürworter der Sequenzierung des menschlichen Genoms.
1986 schrieb Gilbert in Nature, dass das Leben in der "RNA-Welt" begann.
Die erste Stufe der Evolution bestand laut Gilbert aus "RNA-Molekülen, die die katalytische Aktivität ausüben, die erforderlich ist, um sich zu einer Nukleotidbrühe zusammenzusetzen". Durch Kopieren und Einfügen verschiedener RNA-Teile könnten RNA-Moleküle noch nützlichere Sequenzen erzeugen. Schließlich fanden sie einen Weg, Proteine und Proteinenzyme herzustellen, die sich als so nützlich erwiesen, dass sie die RNA-Versionen weitgehend verdrängten und das Leben hervorbrachten, das wir haben.
RNA World ist eine elegante Möglichkeit, komplexes Leben von Grund auf neu aufzubauen. Anstatt sich auf die gleichzeitige Bildung von Dutzenden biologischer Moleküle aus einer Ursuppe zu verlassen, könnte ein „Eins für alle“-Molekül die Aufgabe übernehmen.
Im Jahr 2000 erhielt die RNA-Welthypothese einen kolossalen Teil unterstützender Beweise.
Das Ribosom bildet Proteine
Thomas Steitz hat 30 Jahre lang die Struktur von Molekülen in lebenden Zellen untersucht. In den neunziger Jahren widmete er sich seiner schwersten Aufgabe: der Struktur des Ribosoms herauszufinden.
In jeder lebenden Zelle befindet sich ein Ribosom. Dieses riesige Molekül liest Anweisungen in RNA und ordnet Aminosäuren an, um Proteine herzustellen. Die Ribosomen in Ihren Zellen haben den größten Teil Ihres Körpers aufgebaut.
Es war bekannt, dass das Ribosom RNA enthielt. Im Jahr 2000 erstellte Steitz 'Team ein detailliertes Bild der Ribosomenstruktur, das zeigte, dass RNA der katalytische Kern des Ribosoms war.
Dies war wichtig, da das Ribosom für das Leben von grundlegender Bedeutung ist und gleichzeitig sehr alt ist. Die Tatsache, dass diese essentielle Maschine auf RNA aufgebaut war, machte die Hypothese der RNA-Welt noch plausibler.
Unterstützer der "RNA-Welt" triumphierten und 2009 erhielt Steitz einen Anteil am Nobelpreis. Aber seitdem haben Wissenschaftler angefangen zu zweifeln. Die Idee einer "RNA-Welt" hatte von Anfang an zwei Probleme. Könnte RNA wirklich alle Funktionen des Lebens alleine erfüllen? Könnte es sich auf der frühen Erde gebildet haben?
Es ist 30 Jahre her, dass Gilbert den Grundstein für die "RNA-Welt" gelegt hat, und wir haben immer noch keine soliden Beweise dafür gefunden, dass RNA alles kann, was die Theorie davon verlangt. Es ist ein kleines geschicktes Molekül, aber es kann möglicherweise nicht alles.
Eines war klar. Wenn das Leben mit einem RNA-Molekül begann, musste RNA in der Lage sein, Kopien von sich selbst zu erstellen: Sie musste sich selbst replizieren, sich selbst replizieren.
Aber keine der bekannten RNAs kann sich selbst replizieren. DNA auch. Sie benötigen ein Bataillon von Enzymen und anderen Molekülen, um eine Kopie oder ein Stück RNA oder DNA zu erstellen.
Daher begannen Ende der 1980er Jahre mehrere Wissenschaftler eine sehr quixotische Suche. Sie beschlossen, selbst eine sich selbst replizierende RNA zu erstellen.
Jack Shostak
Jack Shostak von der Harvard School of Medicine war einer der ersten, die daran teilnahmen. Als Kind war er so fasziniert von der Chemie, dass er im Keller seines Hauses ein Labor eröffnete. Er vernachlässigte seine eigene Sicherheit und löste einmal sogar eine Explosion aus, wonach eine Glasröhre in der Decke steckte.
In den frühen 1980er Jahren half Shostak zu zeigen, wie Gene sich vor dem Alterungsprozess schützen. Diese ziemlich frühe Studie brachte ihm schließlich ein Stück des Nobelpreises ein. Sehr bald bewunderte er jedoch Cechs RNA-Enzyme. "Ich fand diesen Job großartig", sagt er. "Im Prinzip ist es durchaus möglich, dass RNA ihre eigene Reproduktion katalysiert."
1988 entdeckte Cech ein RNA-Enzym, das ein kurzes RNA-Molekül mit einer Länge von 10 Nukleotiden aufbauen kann. Shostak beschloss, die Entdeckung durch die Herstellung neuer RNA-Enzyme im Labor zu verbessern. Sein Team erstellte eine Reihe von zufälligen Sequenzen und testete, ob eine von ihnen katalytische Fähigkeiten hatte. Dann nahmen sie diese Sequenzen, überarbeiteten sie und testeten sie erneut.
Nach 10 Runden solcher Aktionen produzierte Shostak ein RNA-Enzym, das die Reaktion um das sieben Millionenfache beschleunigte. Er zeigte, dass RNA-Enzyme wirklich mächtig sein können. Aber ihr Enzym konnte sich nicht einmal leicht kopieren. Schostak war in einer Sackgasse.
Vielleicht hat das Leben nicht mit RNA begonnen
Der nächste große Schritt wurde 2001 von dem ehemaligen Shostak-Studenten David Bartel vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge unternommen. Bartel stellte das R18-RNA-Enzym her, das dem RNA-Strang basierend auf einer vorhandenen Matrize neue Nukleotide hinzufügen konnte. Mit anderen Worten, er fügte keine zufälligen Nukleotide hinzu: Er kopierte die Sequenz korrekt.
Es war zwar noch kein Selbstreplikator, aber schon etwas ähnliches. R18 bestand aus einer Kette von 189 Nukleotiden und konnte der Kette zuverlässig 11 Nukleotide hinzufügen: 6% seiner eigenen Länge. Es war zu hoffen, dass ein paar Änderungen es ihm ermöglichen würden, eine 189-Nucleotid-Kette aufzubauen - genau wie er.
Das Beste hat Philip Holliger 2011 vom Molecular Biology Laboratory in Cambridge gemacht. Sein Team erstellte ein modifiziertes R18 namens tC19Z, das Sequenzen mit einer Länge von bis zu 95 Nukleotiden kopierte. Das sind 48% seiner eigenen Länge: mehr als der R18, aber weit entfernt von 100%.
Ein alternativer Ansatz wurde von Gerald Joyce und Tracy Lincoln vom Scripps Institute in La Jolla, Kalifornien, vorgeschlagen. 2009 schufen sie ein RNA-Enzym, das sich indirekt repliziert. Ihr Enzym kombiniert zwei kurze RNA-Stücke, um ein zweites Enzym zu erzeugen. Anschließend werden die beiden anderen RNA-Stücke kombiniert, um das ursprüngliche Enzym wiederherzustellen.
Aufgrund der Verfügbarkeit von Rohstoffen kann dieser einfache Zyklus auf unbestimmte Zeit fortgesetzt werden. Enzyme funktionierten jedoch nur, wenn sie die richtigen RNA-Stränge erhielten, was Joyce und Lincoln tun mussten.
Für viele Wissenschaftler, die der "RNA-Welt" skeptisch gegenüberstehen, ist das Fehlen selbstreplizierender RNA ein fatales Problem bei dieser Hypothese. RNA kann offenbar einfach kein Leben aufnehmen und beginnen.
Das Problem wurde auch durch das Versagen der Chemiker verschärft, RNA von Grund auf neu zu erzeugen. Es scheint ein einfaches Molekül im Vergleich zu DNA zu sein, aber es ist äußerst schwierig, es herzustellen.
Das Problem liegt im Zucker und in der Base, aus denen jedes Nukleotid besteht. Sie können jeden von ihnen einzeln ausführen, aber sie weigern sich hartnäckig, sich zu engagieren. In den frühen neunziger Jahren war dieses Problem offensichtlich geworden. Viele Biologen haben vermutet, dass die Hypothese der "RNA-Welt" trotz aller Attraktivität möglicherweise nicht ganz richtig ist.
Stattdessen könnte es auf der frühen Erde eine andere Art von Molekül gegeben haben: etwas Einfacheres als RNA, das sich tatsächlich aus der Ursuppe aufheben und sich selbst reproduzieren könnte. Zuerst könnte es dieses Molekül geben, das dann zu RNA, DNA usw. führte.
DNA konnte sich auf der frühen Erde kaum gebildet haben
1991 stellte Peter Nielsen von der Universität Kopenhagen in Dänemark einen Kandidaten für Primärreplikatoren vor.
Es war im Wesentlichen eine stark modifizierte Version der DNA. Nielsen behielt die gleichen Basen - A, T, C und G - wie in der DNA - aber bildete das Rückgrat aus Molekülen, die als Polyamide bezeichnet werden, und nicht aus Zuckern, die auch in der DNA vorkommen. Er nannte das neue Molekül Polyamid-Nukleinsäure oder PNA. In unverständlicher Weise ist es seitdem als Peptidnukleinsäure bekannt geworden.
PNA wurde in der Natur nie gefunden. Aber es verhält sich fast wie DNA. Der PNA-Strang kann sogar den Platz eines der Stränge des DNA-Moleküls einnehmen, und die Basen werden wie üblich gepaart. Darüber hinaus kann sich PNA wie DNA in eine Doppelhelix verwandeln.
Stanley Miller war fasziniert. Er war zutiefst skeptisch gegenüber der RNA-Welt und vermutete, dass PNA ein viel wahrscheinlicherer Kandidat für das erste genetische Material war.
Im Jahr 2000 legte er einige solide Beweise vor. Zu diesem Zeitpunkt war er bereits 70 Jahre alt und hatte mehrere Schlaganfälle erlitten, die ihn in ein Pflegeheim schicken konnten, aber er gab nicht auf. Er wiederholte sein klassisches Experiment, das wir im ersten Kapitel besprochen hatten, diesmal unter Verwendung von Methan, Stickstoff, Ammoniak und Wasser - und erhielt eine PNA auf Polyamidbasis.
Dies deutete darauf hin, dass sich PNA im Gegensatz zu RNA durchaus auf der frühen Erde gebildet haben könnte.
Threose-Nukleinsäuremolekül
Andere Chemiker haben ihre eigenen alternativen Nukleinsäuren entwickelt.
Im Jahr 2000 stellte Albert Eschenmoser die Threose-Nukleinsäure (TNK) her. Es ist die gleiche DNA, aber mit einem anderen Zucker an der Basis. TNC-Ketten können eine Doppelhelix bilden, und Informationen werden zwischen RNA und TNK in beide Richtungen kopiert.
Darüber hinaus können sich TNCs in komplexe Formen falten und sogar an Proteine binden. Dies deutet darauf hin, dass TNK wie RNA als Enzym wirken kann.
Im Jahr 2005 stellte Eric Megges eine Glykolnukleinsäure her, die helikale Strukturen bilden kann.
Jede dieser alternativen Nukleinsäuren hat ihre eigenen Befürworter. Aber in der Natur sind keine Spuren von ihnen zu finden. Wenn das erste Leben sie wirklich benutzte, musste es sie irgendwann vollständig zugunsten von RNA und DNA aufgeben. Dies mag wahr sein, aber es gibt keine Beweise.
Infolgedessen befanden sich die Anhänger der RNA-Welt Mitte der 2000er Jahre in einem Dilemma.
Einerseits existierten RNA-Enzyme und umfassten einen der wichtigsten Teile der biologischen Technik, das Ribosom. Gut.
Aber selbstreplizierende RNA wurde nicht gefunden und niemand konnte verstehen, wie RNA in der Ursuppe gebildet wurde. Alternative Nukleinsäuren könnten das letztere Problem lösen, aber es gibt keine Hinweise darauf, dass sie in der Natur existieren. Nicht sehr gut.
Die offensichtliche Schlussfolgerung war, dass sich die "RNA-Welt" trotz ihrer Attraktivität als Mythos herausstellte.
Inzwischen hat eine andere Theorie seit den 1980er Jahren allmählich an Dynamik gewonnen. Seine Befürworter argumentieren, dass das Leben nicht mit RNA, DNA oder anderem genetischen Material begann. Stattdessen begann es mit einem Mechanismus zur Nutzung von Energie.
Das Leben braucht Energie, um am Leben zu bleiben
ILYA KHEL
- Teil eins: Wie man eine Zelle baut -
- Teil zwei: Eine Aufteilung in die Reihen der Wissenschaftler -
- Teil vier: die Energie der Protonen -
- Teil fünf: Wie schafft man eine Zelle? -
- Sechster Teil: Die große Vereinigung -
