Obsah:
Původ života je záhadou, ale každý rok se vědci o něco přibližují k pochopení toho, co umožnilo život na Zemi a možná i na jiných planetách nebo měsících.
Dosud máme známou pouze jednu případovou studii života na naší vlastní planetě, ale mikrobiální život je považován za možný v mnoha dalších oblastech kolem sluneční soustavy, například na Marsu, Jupiterově ledovém měsíci Europa a na Enceladu, měsíci Saturnu. která hostí gejzíry chrlící vodní led.
Zatímco někteří vědci zkoumají podmínky prostředí, které vedou k životu, jiní se více zajímají o vývoj jednoduchých buněk ve složitější. Jedním z velkých přání dnešních vědců je vytvořit umělé buňky, které by věrně napodobovaly to, co dělají biologické, takže by bylo snadné vytvořit laboratorní podmínky pro testování, jak se vyvíjejí.
Jedna nedávná linie výzkumu zahrnuje protobuňky, které jsou velmi ranou formou buněk, které jsou dnes na Zemi běžné. Nemají jádro ani většinu ostatních prvků moderní eukaryotické buňky, ale obsahují lipidy, což jsou molekuly, jako jsou vitamíny a tuky. V biologii je jednou funkcí lipidů pomáhat vytvářet membrány, které drží buňku pohromadě.
Výzkumníci by rádi vytvořili umělou protobuňku, ale to není zdaleka snadné. Zjistit, jak funguje dědičnost – jak se vlastnosti mateřské protobuňky přenášejí na další generaci – je jedním z největších problémů, kterým dnešní vědci čelí.
Problémy s replikací
Harold Fellermann, spoluautor článku, byl v Center for Fundamental Living Technology na Dánské univerzitě, když začal s výzkumem, a nyní je na Newcastle University jako vedoucí vědecký pracovník v oblasti počítačových věd. Úzce spolupracuje s katedrou biologie na rozvoji nanotechnologií a syntetické biologie.
"Velmi mě zajímá tvůrčí potenciál přírody," řekl. "Příroda obecně se zdá být plodná kreativitou, která předčí jakoukoli lidskou představivost. V přírodě nacházíme řešení problémů, které by si žádný inženýr nepředstavoval."
Jeden příklad, řekl Fellermann, souvisí s kódováním informací, které přecházejí z buňky na její potomky. Dnes nejvíce známe DNA a další nukleovou kyselinu zvanou RNA, které předávají molekulární informace po generace.
Když vědci poprvé studovali tyto procesy, věřili, že informace proudí pouze z DNA do RNA do proteinů. Další zkoumání však ukázalo, že informace se mohou ubírat více než jedním směrem. Někdy lze například RNA zapsat zpět do DNA. Nebo může být řetězec DNA přeorientován proteinem, čímž se změní genetický program za běhu.
Složitost dědičnosti byla součástí obtíží, kterým Fellermann a tým, včetně hlavního autora Shinpei Tanaky z Hirošimské univerzity, čelili, když se pokoušeli simulovat informační polymery v počítačové simulaci. Kromě toho měli vědci další dva problémy, kterým museli čelit.
Informační polymery jsou molekuly, které se samy rozpadají ve vodě, což je základní součást života, jak ho známe. Jak udržet tento řetězec pohromadě, aniž by se rozpustil, byla jedna z otázek, kterým výzkumníci čelili.
Dalším problémem byla replikace. Buňky dnes vytvářejí své kopie pomocí enzymů, což jsou proteiny, které podporují složité reakce. (Dalším příkladem složité reakce by bylo trávení potravy.) Protobuňky, navrhli vědci, mohly využít proces zvaný ligace, který spojuje kratší molekulární řetězce do delších, spolu s odpovídajícími delšími řetězci.
Výzkumníci přinesli hypotézu z doby před třemi desetiletími, která předpokládala, že jakákoli sekvence polymerů (řetězec malých molekul) může kódovat informaci a může být zkopírována z jednoho řetězce polymeru do druhého pomocí procesu zvaného replikace řízená šablonou.
K tomuto typu ligace by mohlo dojít bez pomoci jakýchkoli enzymů.
"V podstatě jsme se vrátili k tomu, o čem Stuart Kauffman a další vědci psali v 80. letech, ale za předpokladu, že mezi našimi molekulami nemáme náhodné interakce," řekl Fellermann o replikaci. "Máme určité šablony, které se mohou replikovat tím, že vezmou dvě komplementární podsekvence a poté použijí chemickou reakci k navázání produktu replikace."
Molekulární ekologie
Při simulaci informačních řetězců v počítačové simulaci přišli vědci s překvapivým objevem. Replikace proběhla podle očekávání, informační řetězce se samy duplikovaly, ale vědci byli překvapeni, když viděli, jak se kratší a delší řetězce vytvářejí v nápadně pravidelných vzorcích.
Protože výzkumníci nevložili vzor do programu sami, dospěli k závěru, že řetězce musely vytvářet vzor samy prostřednictvím svých interakcí. Jinými slovy, řetězce vytvořily síť molekul (nazývanou autokatalytická síť), kde každá molekula pomáhá ostatním při chemických reakcích. Je považován za ranou formu metabolismu, která se týká chemických procesů nezbytných pro život.
"Stalo se to, že máte téměř molekulární ekologii," řekl Fellermann. "Každý druh a vlákno si navzájem obsluhují reaktanty a produkty a katalyzátory."
V průběhu času simulace ukázala, že informační řetězce se vyskytovaly ve stejných poměrech dlouhých a krátkých délek v předvídatelných vzorcích. I když vědci nemohou s jistotou říci, že to byl krok na cestě k životu, řekli, že to vyžaduje další zkoumání, protože pracují na vytvoření umělých protobuněk.
Výzkumníci pečlivě kontrolovali, aby se ujistili, že jejich počítačové simulace nebyly chybné, prováděli až 5 000 simulací týdně a také dvakrát kontrolovali svou práci se zcela odlišným systémem a důkladnou matematickou analýzou.
"Našli jsme úplně stejné chování," řekl Fellermann.
Sekundární struktury
Tyto základní procesy nejsou závislé na tom, v jakém prostředí se protobuňka nacházela, řekl Fellermann. V širším smyslu to znamená, že by protobuňky mohly přenášet informace stejným způsobem, ať už jsou zapuštěny v kyselém prostředí, snaží se přežít v horkém prameni pod vodou nebo v jakémkoli jiném prostředí. To naznačuje, že stejný proces by mohl fungovat v mimozemských prostředích.
Další fází pro výzkumníky bude podívat se na aktivitu vyššího řádu, řekl Fellermann, se zaměřením na aktivitu spojenou s RNA, jednovláknovou nukleovou kyselinou.
Vědci se podívají na sekundární struktury - základní biologické struktury biopolymerů, jako jsou nukleové kyseliny a proteiny - aby lépe pochopili, jak funguje role RNA.
"Často je chemická aktivita RNA připisována sekundárním strukturám, které naše studie nebere v úvahu, " řekl Fellermann. "Dá se říci, že bychom měli hledat katalytickou aktivitu velmi jednoduchých sekvencí struktury RNA. Jednoduché sekvence jsou ty, které se mohou objevit i bez toho, abychom se museli spoléhat na specifickou sekundární strukturu."
Výzkum je příslibem nejen pro pochopení života, ale také pro vytvoření inteligentnějších počítačů. Tým spekuluje, že jejich práce by nakonec mohla být základem technologického pokroku, jako jsou samoopravitelné počítače.
Tyto stroje biologického typu by mohly být užitečné při průzkumu vesmíru, například v robotických koloniích na Měsíci, nebo při pomoci vědcům při budoucím přistání na Marsu. Díky schopnosti provádět opravy bez dalších materiálů požadovaných od Země by mohl být dlouhodobý průzkum vesmíru levnější – pokud je k dispozici technologie, která jej podporuje.
