Στις ζεστές, λιπαρές λακκούβες, η σπίθα της ζωής;

Τα τελευταία 40 χρόνια, ο David Deamer είχε εμμονή με τις μεμβράνες. Συγκεκριμένα, τον γοητεύουν οι κυτταρικές μεμβράνες, τα λιπαρά περιβλήματα που περιβάλλουν τα κύτταρά μας. Μπορεί να φαίνονται ασυνήθιστα, αλλά ο Deamer, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, είναι πεπεισμένος ότι μεμβράνες σαν αυτές πυροδότησε την εμφάνιση της ζωής. Όπως το οραματίζεται, συσχέτισαν τις χημικές ουσίες της πρώιμης Γης, χρησιμεύοντας ως εκκολαπτήριο για τις αντιδράσεις που δημιούργησαν τα πρώτα βιολογικά μόρια.

Μία από τις μεγάλες αρχικές προκλήσεις στην εμφάνιση της ζωής ήταν τα απλά, κοινά μόρια να αναπτύξουν μεγαλύτερη πολυπλοκότητα. Αυτή η διαδικασία οδήγησε, κυρίως, στην εμφάνιση του RNA, που από καιρό θεωρείτο ότι ήταν το πρώτο βιολογικό μόριο. Το RNA είναι ένα πολυμερές — μια χημική αλυσίδα που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες υπομονάδες — που έχει αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστεί υπό συνθήκες παρόμοιες με εκείνες στην πρώιμη Γη.

Η ομάδα του Deamer έχει δείξει όχι μόνο ότι μια μεμβράνη θα χρησίμευε ως κουκούλι για αυτή τη χημική μεταμόρφωση, αλλά ότι θα μπορούσε επίσης να προωθήσει ενεργά τη διαδικασία. Οι μεμβράνες αποτελούνται από λιπίδια, λιπαρά μόρια που δεν διαλύονται στο νερό και μπορούν να σχηματίσουν αυθόρμητα μικροσκοπικά πακέτα. Στη δεκαετία του 1980, ο Deamer έδειξε ότι τα συστατικά για την κατασκευή αυτών των συσκευασιών θα ήταν άμεσα διαθέσιμα στην πρώιμη Γη. απομόνωσε ενώσεις που σχηματίζουν μεμβράνες από τον μετεωρίτη Murchison, ο οποίος εξερράγη πάνω από την Αυστραλία το 1969. Αργότερα, διαπίστωσε ότι τα λιπίδια μπορούν να βοηθήσουν στο σχηματισμό πολυμερών RNA και στη συνέχεια να τα εγκλωβίσουν σε μια προστατευτική επικάλυψη, δημιουργώντας ένα πρωτόγονο κύτταρο.

Τα τελευταία χρόνια, ο Deamer έχει επεκτείνει την προσέγγισή του για πρώτη φορά στη μεμβράνη σε ένα ολοκληρωμένο όραμα για το πώς αναδύθηκε η ζωή. Σύμφωνα με το μοντέλο του, τα πρωτοκύτταρα στην πρώιμη Γη αποτελούνταν από διαφορετικά συστατικά. Μερικά από αυτά τα συστατικά θα μπορούσαν να βοηθήσουν το πρωτοκύτταρο, ίσως σταθεροποιώντας τις προστατευτικές του μεμβράνες ή δίνοντάς του πρόσβαση σε παροχή ενέργειας. Σε κάποιο σημείο, ένα ή περισσότερα RNA ανέπτυξαν την ικανότητα να αναπαράγονται και η ζωή όπως την ξέρουμε άρχισε να αναδεύεται.

Ο Deamer πιστεύει ότι ηφαιστειακές χερσαίες μάζες παρόμοιες με αυτές στην Ισλανδία σήμερα θα είχαν κάνει μια φιλόξενη γενέτειρα για τα πρωτοκύτταρά του. Οι πισίνες γλυκού νερού που είναι διάσπαρτες σε υδροθερμικά πεδία με ατμό θα υπόκεινται σε τακτικούς κύκλους θέρμανσης και ψύξης. Αυτός ο κύκλος θα μπορούσε να είχε συγκεντρώσει τα απαραίτητα συστατικά - συμπεριλαμβανομένων τόσο των λιπιδίων όσο και των δομικών στοιχείων για το RNA - και θα παρείχε την ενέργεια που απαιτείται για τη συρραφή αυτών των δομικών στοιχείων σε βιολογικά πολυμερή. Ο Deamer προσπαθεί τώρα να αναδημιουργήσει αυτές τις συνθήκες στο εργαστήριο. Στόχος του είναι να συνθέσει πολυμερή RNA και DNA.

Peter DaSilva για το περιοδικό Quanta

Βίντεο: Ο David Deamer εξηγεί πώς το εργαστήριό του μιμείται τις ακραίες συνθήκες που βρέθηκαν στα ηφαίστεια στην πρώιμη Γη.

Περιοδικό Quanta μίλησε με τον Deamer σε ένα συνέδριο για την προέλευση της ζωής στο Galveston του Τέξας, νωρίτερα φέτος. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική έκδοση αυτής της συνομιλίας.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ QUANTA:Ποια ήταν τα μεγαλύτερα επιτεύγματα των ερευνητών που προσπάθησαν να κατανοήσουν την προέλευση της ζωής; Ποιες ερωτήσεις απομένουν να επιλυθούν;

DAVID DEAMER:Έχουμε κάνει πραγματικά πρόοδο από τη δεκαετία του 1950. Καταλάβαμε ότι η πρώτη ζωή προήλθε τουλάχιστον πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, και εικάζω ότι η πρωτόγονη ζωή εμφανίστηκε πιθανώς ήδη πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Γνωρίζουμε επίσης ότι ορισμένοι μετεωρίτες περιέχουν τα βασικά συστατικά της ζωής. Αλλά ακόμα δεν γνωρίζουμε πώς συναρμολογήθηκαν τα πρώτα πολυμερή.

Οι επιστήμονες διαφωνούν σχετικά με τον ορισμό της ζωής. Η NASA έχει καταλήξει σε έναν λειτουργικό ορισμό:ένα εξελισσόμενο σύστημα που μπορεί να κάνει περισσότερα από τον εαυτό του. Είναι αρκετό;

Η ζωή αντιστέκεται σε έναν απλό αφηρημένο ορισμό. Όταν προσπαθώ να ορίσω τη ζωή, συγκέντρωσα μια σειρά από μια ντουζίνα ιδιότητες που δεν ταιριάζουν σε τίποτα που δεν είναι ζωντανό. Μερικά από αυτά είναι απλά:αναπαραγωγή, εξέλιξη και μεταβολισμός.

Πολλοί επιστήμονες μελετούν μεμονωμένα βήματα στην εμφάνιση της ζωής, όπως το πώς να φτιάξουν το RNA. Αλλά υποστηρίζετε ότι η ζωή είναι ένα σύστημα, και ξεκίνησε ως σύστημα. Γιατί;

Το DNA είναι το κέντρο όλης της ζωής, αλλά δεν μπορεί να θεωρηθεί ζωντανό, παρόλο που έχει όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός ζωντανού πράγματος. Το DNA δεν μπορεί να αναπαραχθεί από μόνο του. Βάλτε το DNA σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα με νερό και αυτό σπάει σιγά σιγά σε διάφορα κομμάτια. Έτσι αμέσως, βλέπετε τον περιορισμό της σκέψης για μεμονωμένα μόρια ως ζωντανά.

Για να αποκτήσετε λίγο από αυτό που ονομάζουμε ανάπτυξη, πρέπει να προσθέσετε τις υπομονάδες του DNA, ένα ένζυμο για την αναπαραγωγή του DNA και ενέργεια για να ενεργοποιήσετε την αντίδραση. Τώρα έχουμε μόρια που μπορούν να αναπαραχθούν αν έχουν συγκεκριμένα συστατικά. Ζουν ακόμα; Η απάντηση είναι ακόμα όχι, γιατί αργά ή γρήγορα οι υπομονάδες εξαντλούνται και η αναπαραγωγή σταματάει. Πώς λοιπόν φτάνουμε σε ένα σύστημα που είναι πραγματικά ζωντανό; Αυτό προσπαθούμε να κάνουμε εμείς και οι άλλοι. Ο μόνος τρόπος που μπορούμε να σκεφτούμε είναι να τοποθετήσουμε το DNA σε ένα μεμβρανώδες διαμέρισμα.

Γιατί είναι τόσο σημαντικά τα διαμερίσματα;

Ένα αυτοκίνητο δεν λειτουργεί εάν δεν το έχετε περικλείσει. πρέπει να κρατήσετε τα κομμάτια στη θέση τους. Για την προέλευση της ζωής, δεν μπορείτε να έχετε την εξέλιξη χωρίς απομονωμένα συστήματα - διαμερίσματα που ανταγωνίζονται για ενέργεια και θρεπτικά συστατικά. Είναι σαν να δίνεις στους χημικούς χημικά αλλά όχι δοκιμαστικούς σωλήνες. Δεν μπορείτε να κάνετε χημεία χωρίς διαμέρισμα. Στην πρώιμη Γη, κάθε μεμβράνη ήταν ένα πείραμα ζωής.

Πώς πιστεύετε ότι ήταν η Γη όταν εμφανίστηκε η ζωή;

Υπήρχε ένας παγκόσμιος ωκεανός, πιθανώς αλμυρός, με ηφαιστειακές μάζες που έμοιαζαν με τη Χαβάη ή την Ισλανδία ή ακόμα και με τον Όλυμπο Μονς στον Άρη. Η βροχόπτωση στα νησιά παρήγαγε πισίνες γλυκού νερού που θερμάνθηκαν μέχρι βρασμού με γεωθερμική ενέργεια και στη συνέχεια ψύχονταν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από την απορροή. Τα σύγχρονα παραδείγματα περιλαμβάνουν τα υδροθερμικά πεδία που έχω επισκεφτεί στην Καμτσάτκα, στη Ρωσία, και το Bumpass Hell στο όρος Lassen, στην Καλιφόρνια, όπου κάνουμε εργασίες πεδίου.

Γιατί αυτές οι πισίνες θα ήταν μια πιθανή γενέτειρα ζωής;

Οργανικές ενώσεις που συσσωρεύτηκαν στις πισίνες, ξεπλύθηκαν εκεί από την κατακρήμνιση που έπεφτε βροχή στις ηφαιστειακές χερσαίες μάζες. Οι πισίνες περνούσαν από κύκλους διαβροχής και ξήρανσης, σχηματίζοντας ένα συμπυκνωμένο φιλμ οργανικών ενώσεων στα βράχια όπως ο δακτύλιος σε μια μπανιέρα. Μέσα σε αυτή την ταινία, ενδιαφέροντα πράγματα μπορούν να συμβούν. Τα λιπίδια μπορούν να αυτοσυναρμολογηθούν σε δομές που μοιάζουν με μεμβράνη και οι υπομονάδες του RNA ή άλλων πολυμερών ενώνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μακριές αλυσίδες.

Διαπιστώσατε ότι τα λιπίδια μπορούν να βοηθήσουν στο σχηματισμό RNA. Πώς λειτουργεί αυτό;

Έχουμε αναπτύξει μια μέθοδο για την ένωση των επιμέρους υπομονάδων του RNA για να δημιουργήσουμε μια μακριά αλυσίδα. Ξεκινάμε με τα μόρια AMP, μονοφωσφορική αδενοσίνη και UMP, μονοφωσφορική ουριδίνη, τα οποία είναι δύο από τα δομικά στοιχεία του RNA. Στο νερό, οι υπομονάδες απλά διαλύονται και δεν μπορούν να σχηματίσουν μεγαλύτερες αλυσίδες. Ανακαλύψαμε ότι εάν παγιδεύσετε τις υπομονάδες AMP ανάμεσα σε στρώματα λιπιδίων, οι υπομονάδες ευθυγραμμίζονται. Όταν τα στεγνώσετε, σχηματίζουν ένα πολυμερές. Ο κύκλος υγρού-στεγνώματος δημιουργεί επίσης σταγονίδια λιπιδίων που ενθυλακώνουν τα πολυμερή.

Τώρα προσπαθούμε να αναδημιουργήσουμε αυτή τη διαδικασία στο εργαστήριο υπό τις συνθήκες που θα βρείτε σε ένα υδροθερμικό πεδίο. Χρησιμοποιούμε κύκλους υγρού-στεγνώματος μισής ώρας για να προσομοιώσουμε τι συμβαίνει στην άκρη των πισινών. Έχουμε δείξει ότι μπορούμε να φτιάξουμε πολυμερή που κυμαίνονται από 10 έως περισσότερες από 100 μονάδες.

Και πιστεύετε ότι αυτό συνέβη στη Γη;

Δοκιμάζουμε την πιθανότητα ότι αυτό που βλέπουμε στο εργαστήριο μπορεί επίσης να ξεδιπλωθεί σε μια τοποθεσία που μοιάζει με την πρώιμη Γη, όπως το Bumpass Hell στο όρος Lassen. Ο συνάδελφός μου Μπρους Ντάμερ και εγώ ήμασταν εκεί τον περασμένο Σεπτέμβριο, δοκιμάζοντας εάν τα καυτά αέρια που προέρχονται από μια φούμαρα θα μπορούσαν να οδηγήσουν την αντίδραση που παράγει πολυμερή RNA. Τα αποτελέσματα είναι πολύ προκαταρκτικά και πρέπει να επαναληφθούν, αλλά είδαμε ενδείξεις πολυμερών.

Παρομοιάσατε τα σταγονίδια με δοκιμαστικούς σωλήνες, με το καθένα να είναι ένα πείραμα στη ζωή. Τι θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως επιτυχημένο πείραμα;

Η ιδέα είναι ότι κάθε [σταγονίδιο] θα περικλείει ένα μείγμα τυχαίων πολυμερών. Σπάνια πρωτοκύτταρα μπορεί να φιλοξενούν συλλογές πολυμερών με συγκεκριμένες λειτουργικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, ορισμένα πολυμερή μπορεί να βοηθήσουν στη σταθεροποίηση της κυτταρικής μεμβράνης, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής της. Άλλοι μπορεί να δημιουργήσουν πόρους στη μεμβράνη, επιτρέποντας στα θρεπτικά συστατικά να εισέλθουν στο κύτταρο. Άλλοι πάλι μπορεί να καταλύουν αντιδράσεις, μετατρέποντας αυτά τα θρεπτικά συστατικά σε κάτι που χρειάζεται το κύτταρο. Αυτά τα ένζυμα που βασίζονται στο RNA ονομάζονται ριβοένζυμα. Θέλουμε να δούμε αν μπορούμε να ανιχνεύσουμε λειτουργικά πολυμερή μεταξύ των τρισεκατομμυρίων πολυμερών τυχαίας αλληλουχίας που παράγουμε.

Ποια θα ήταν η πιο συναρπαστική πιθανή ανακάλυψη σε αυτό το σύστημα;

Το να κάνεις το πράγμα να αναπαραχθεί θα ήταν μεγάλη υπόθεση. Για να γίνει αυτό, χρειαζόμαστε ένα ριβοένζυμο που κάνει την αντίδραση πολυμερισμού μας να πηγαίνει πιο γρήγορα. Αλλά έχουμε πολύ δρόμο μπροστά μας για να βρούμε αυτό το είδος ριβοένζυμου.

Μόλις οι επιστήμονες είναι σε θέση να δημιουργήσουν ζωή στο εργαστήριο, θα καταλάβουμε πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη;

Μάλλον θα μπορέσουμε να δημιουργήσουμε εργαστηριακή ζωή, αλλά δεν είμαι σίγουρος ότι μπορούμε να ισχυριστούμε ότι έτσι ξεκίνησε η ζωή. Η ζωή που προσπαθούμε να συνθέσουμε θα είναι μια πολύ τεχνική ζωή, βασισμένη σε ένα εργαστήριο με καθαρά αντιδραστήρια και ούτω καθεξής. Δεν είμαι σίγουρος ότι μπορούμε να το ονομάσουμε αυτό την προέλευση της ζωής μέχρι να γίνει ένα αυτοαναπτυσσόμενο σύστημα, μέχρι να βάλουμε αυτό το σύστημα σε ένα εξωτερικό περιβάλλον και να το δούμε να μεγαλώνει.

Αν και δεν θα μάθουμε ποτέ με βεβαιότητα πώς ξεκίνησε η ζωή, φαίνεται εξαιρετικά πιθανό να καταλάβουμε πώς μπορεί να ξεκινήσει η ζωή σε οποιονδήποτε κατοικήσιμο πλανήτη, όπως η πρώιμη Γη και ίσως ο Άρης.