Πώς θα μπορούσε να εξελιχθεί η ζωή από το κυάνιο;

Πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη; Είναι ένα από τα μεγαλύτερα και αρχαιότερα μυστήρια σε όλη την επιστήμη - και οι ενδείξεις για την επίλυσή του βρίσκονται παντού γύρω μας. Οι βιολόγοι έχουν μερικές φορές φανταστεί την εξελικτική ιστορία ως μια ηχογραφημένη «κασέτα της ζωής» που θα μπορούσε να αποδειχθεί διαφορετικά αν επαναλαμβανόταν ξανά και ξανά. Σε αυτό το επεισόδιο, ο Steven Strogatz μιλάει με δύο ερευνητές που επιθεωρούν διαφορετικά μέρη της ταινίας. Πρώτον, ακούστε από τον βραβευμένο με Νόμπελ βιολόγο Jack Szostak, ο οποίος διερευνά πώς μια βραστό λίμνη με κυάνιο θα μπορούσε να έχει οδηγήσει σε βασικά στοιχεία της ζωής όπως το RNA και το DNA. Στη συνέχεια, ακούστε τον Betül Kaçar, έναν παλαιογενετιστή και αστροβιολόγο που ανασταίνει τα αρχαία γονίδια για να μάθετε πώς βοήθησαν στην εξέλιξη των διαδικασιών που είναι απαραίτητες για τη σύγχρονη ζωή.

Ακούστε στο Apple Podcasts, το Spotify, το Google Podcasts, το Stitcher, το TuneIn ή την αγαπημένη σας εφαρμογή podcasting ή μπορείτε να το κάνετε ροή από το Quanta .

Μεταγραφή

Στίβεν Στρόγκατζ (00:02):Είμαι ο Steve Strogatz, και αυτό είναι The Joy of Why , ένα podcast από το Quanta Magazine που σας οδηγεί σε μερικά από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα στην επιστήμη και τα μαθηματικά σήμερα. Σε αυτό το επεισόδιο, θα εξετάσουμε την καλύτερη τρέχουσα κατανόησή μας για την προέλευση της ζωής. Πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη;

(00:21) Άρχισε η ζωή, όπως υπέθεσε κάποτε ο Κάρολος Δαρβίνος, σε μια ζεστή μικρή λιμνούλα κάπου; Το είδος του περιποιητικού, υποστηρικτικού χώρου όπου είναι εύκολο να φανταστεί κανείς τη λεπτή βιολογία να παίρνει μορφή; Ή πιο αντίθετα, όπως έχουν προτείνει ορισμένοι επιστήμονες, ξεκίνησε η ζωή βαθιά στον ωκεανό, κοντά σε υδροθερμικές οπές, ένα φαινομενικά αφιλόξενο μέρος όπου οι πιέσεις είναι τεράστιες και οι θερμοκρασίες ζεματίζονται; Και, όπου κι αν ξεκίνησε η ζωή, ποια ήταν τα πρώτα δομικά στοιχεία της ζωής; Ήταν τα μόρια για τα οποία ακούμε τόσο πολύ σήμερα — RNA και DNA, αμινοξέα, λιπίδια — ή υπήρχε κάτι πολύ πιο απλό; Τα τελευταία χρόνια, έχουν εμφανιστεί ορισμένες σημαντικές ενδείξεις. Η ανταμοιβή για να απαντήσουμε σε τέτοιου είδους ερωτήσεις θα ήταν τεράστια, όχι μόνο για να κατανοήσουμε πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη, αλλά και για να μας βοηθήσει να αναζητήσουμε ζωή σε άλλους πλανήτες και ίσως να καταλάβουμε αν είμαστε μόνοι στο σύμπαν.

(01:17) Μαζί μου για να συζητήσουμε όλα αυτά είναι ο Jack Szostak. Ο Jack είναι καθηγητής χημείας και χημικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, καθηγητής γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και ερευνητής στο τμήμα μοριακής βιολογίας στο Mass General Hospital. Μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ το 2009 για την εργασία του στην ανακάλυψη της τελομεράσης, ενός ενζύμου που προστατεύει τα χρωμοσώματα από την υποβάθμιση. Αργότερα, θα μας συνοδεύσει η Betül Kaçar, επίκουρη καθηγήτρια βακτηριολογίας στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison. Jack Szostak, σας ευχαριστούμε πολύ για την παρουσία σας σήμερα.

Τζακ Σζοστάκ (01:53):Και σας ευχαριστώ που με έχετε εδώ.

Strogatz (01:55):Επιτρέψτε μου να ξεκινήσω με μια ερώτηση σχετικά με την προέλευση της ζωής. Όπως λέω, είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια σε όλη την επιστήμη και η προσπάθεια επίλυσής του φαίνεται σαν μια από τις μεγαλύτερες αστυνομικές ιστορίες όλων των εποχών. Ποια θα ήταν η καλύτερη εικασία σας για το πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη;

Szostak (02:09):Εντάξει, λοιπόν, νομίζω ότι πρέπει να σκεφτούμε κάποιο περιβάλλον στην επιφάνεια της Γης, κάποιο είδος ρηχής λίμνης ή λίμνης όπου δημιουργήθηκαν και συσσωρεύτηκαν τα δομικά στοιχεία του RNA, μαζί με λιπίδια και άλλα μόρια που σχετίζονται με τη βιολογία. Και στη συνέχεια αυτοσυναρμολογήθηκαν σε λιπιδικά κυστίδια που ενθυλακώνουν το RNA, υπό συνθήκες όπου το RNA θα μπορούσε να αρχίσει να αναπαράγεται λόγω της ενέργειας από τον ήλιο. Και αυτό θα επέτρεπε στην δαρβινική εξέλιξη να ξεκινήσει. Έτσι ώστε ορισμένες αλληλουχίες RNA που έκαναν κάτι χρήσιμο για το πρωτοκύτταρο στο οποίο βρίσκονται θα προσέφεραν ένα πλεονέκτημα, αυτά τα πρωτοκύτταρα θα άρχιζαν να καταλαμβάνουν τον πληθυσμό. Και μετά φεύγετε και τρέχετε, και η ζωή μπορεί σταδιακά να γίνει πιο περίπλοκη και να εξελιχθεί για να εξαπλωθεί σε διαφορετικά περιβάλλοντα, μέχρι να καταλήξετε με αυτό που βλέπουμε γύρω μας σήμερα.

Strogatz (03:01):Ποια είναι όμως μερικά από τα σενάρια; Ξέρετε, απλώς για να μας δώσετε κάτι συγκεκριμένο να σκεφτούμε. Επειδή εννοώ, θυμάμαι ότι όταν ήμουν παιδί που έπαιρνα βιολογία στο γυμνάσιο, όλοι ακούγαμε για τον Stanley Miller και το πείραμα Miller-Urey. Γιατί δεν υπενθυμίζετε πρώτα - εννοώ, από εκεί, θα λέγατε, ξεκίνησε η επιστημονική διερεύνηση ορισμένων από αυτά τα ερωτήματα; Με αυτό, ή υπάρχει κάποιο παλιότερο μέρος που πρέπει να κοιτάξουμε;

Szostak (03:22):Λοιπόν, αυτό ήταν σίγουρα ένα επαναστατικό ορόσημο, εννοώ ότι δημιούργησε τέτοιο πάταγο. Ξέρετε, η ιδέα ότι θα μπορούσατε να φτιάξετε αμινοξέα, τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών, με έναν τόσο φαινομενικά απλό τρόπο ήταν — ήταν μια αποκάλυψη για τους ανθρώπους και προκάλεσε τεράστιο ενδιαφέρον. Ο Stanley ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο εργαστήριο του Harold Urey. Ο Urey, φυσικά, ήταν ένας βραβευμένος με Νόμπελ επιστήμονας που ανακάλυψε τα ισότοπα του υδρογόνου, όπως το δευτέριο, και ούτω καθεξής. Ο τρόπος με τον οποίο καταλαβαίνω την ιστορία είναι ότι ο Stanley είπε ότι θα ήθελε να προσπαθήσει να μιμηθεί την ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης - έτσι υδρογόνο, αμμωνία, μεθάνιο, λίγο νερό, τέτοια πράγματα - εκτοξεύστε το με λίγη ενέργεια τη μορφή εκκένωσης σπινθήρα και δείτε τι συνέβη. Και ο σύμβουλός του του είπε να μην το κάνει, αυτό δεν θα λειτουργήσει ποτέ, ξέρεις; Και, φυσικά, έγινε. Ήταν, είχε τεράστια επιτυχία και δημιουργήθηκαν κάθε είδους ενδιαφέροντα μόρια.

Εντάξει, αλλά τότε, ξέρετε, όταν αρχίσετε να το κοιτάτε πιο προσεκτικά, και ξέρετε, με το πλεονέκτημα αυτού, 70 χρόνια εκ των υστέρων, αυτό που βλέπουμε είναι ότι αυτό που στην πραγματικότητα φτιάχτηκε δεν ήταν μόνο τα μόρια που θα μπορούσατε να θέλουν, αλλά ίχνη αμινοξέων αναμεμειγμένα με χιλιάδες ή δεκάδες χιλιάδες άλλες χημικές ουσίες, μερικές από τις -- κάποιες λίγες από τις οποίες σχετίζονται με τη βιολογία, αλλά οι περισσότερες από τις οποίες δεν είναι. Και μερικά από τα βασικά δομικά στοιχεία δεν υπάρχουν καθόλου. Επομένως, είναι ξεκάθαρα ένα σημάδι ότι αυτός δεν είναι ο σωστός τρόπος να κάνετε τη χημεία για να ξεκινήσετε τη ζωή.

Strogatz (05:02):Εντάξει. Ξέρετε, αναφέρατε τον κόσμο του RNA. Είναι αυτό το επόμενο μεγάλο εννοιολογικό πράγμα στην ιστορία μας; Ή, ή ίσως υπάρχει κάτι ανάμεσα στον κόσμο του RNA και τον Miller-Urey.

Szostak (05:12):Για δεκαετίες, η σκέψη για την προέλευση της ζωής ήταν μπερδεμένη, γιατί όλα στη σύγχρονη ζωή εξαρτώνται από όλα τα άλλα. Έτσι είναι, έτσι έχετε το DNA που κωδικοποιεί την αλληλουχία του RNA και των πρωτεϊνών, αλλά χρειάζεστε τις πρωτεΐνες για να αντιγράψετε το DNA. Και για να μεταγράψετε το DNA σε RNA, χρειάζεστε RNA για να δημιουργήσετε πρωτεΐνη. Χρειάζεστε λοιπόν — όλα τα μέρη του συστήματος χρειάζονται όλα τα άλλα μέρη. Οπότε ήταν ένα λογικό αίνιγμα. Και η απάντηση, η λύση σε αυτό, ήρθε με τη λεγόμενη ιδέα του κόσμου του RNA, η οποία αρχικά υποστηρίχθηκε από μερικούς πολύ έξυπνους ανθρώπους, όπως ο Φράνσις Κρικ και η Λέσλι Όργελ στα τέλη της δεκαετίας του '60, με την ιδέα ότι το RNA ίσως είχε ικανότητα να δρα ως ένζυμο.

Strogatz (05:58):Έτσι, η ιδέα ότι το RNA θα μπορούσε, όχι απλώς να μεταφέρει πληροφορίες, αλλά να είναι το ένζυμο που χρειάζεται για να βοηθήσει, ας πούμε, να αναπαραχθεί. Δεν κατάλαβα — αυτή ήταν μια υπόθεση πριν ανακαλυφθεί στο εργαστήριο.

Szostak (06:09):Αυτό είναι σωστό, ναι. Αυτό προτάθηκε στα τέλη της δεκαετίας του '60, όταν εμφανίστηκε η δομή του tRNA, και οι άνθρωποι για πρώτη φορά μπορούσαν να δουν ότι το RNA μπορούσε να διπλωθεί σε αυτά τα περίπλοκα τρισδιάστατα σχήματα. Αυτό που χρειάζεστε, σωστά, για να φτιάξετε ένα καταλυτικό κέντρο.

Strogatz (06:25):Αλλά, λοιπόν, λέγατε ότι υπήρχε αυτή η πρόβλεψη, που λέτε ότι προέκυψε μετά την ανακάλυψη του τι έμοιαζε το tRNA — RNA μεταφοράς. Ίσως λοιπόν να μας το θυμίσετε λίγο αυτό, για όσους είναι λίγο μουντοί στη βιολογία τους στο γυμνάσιο. Τι είναι το tRNA, τι μας κάνει;

Szostak (06:40):Εντάξει, άρα το tRNA είναι σύντομο για το RNA μεταφοράς. Είναι ένα σχετικά σύντομο σύνολο μορίων RNA, μήκους περίπου 70 ή 80 νουκλεοτιδίων, και μεταφέρουν αμινοξέα στο ριβόσωμα. Και τότε ο καταλυτικός μηχανισμός του ριβοσώματος παίρνει τα αμινοξέα από το tRNA και τα συναρμολογεί σε μια αναπτυσσόμενη πεπτιδική αλυσίδα. Έτσι, υπάρχουν πολλοί ρόλοι για το RNA στη δημιουργία πρωτεϊνών. Υπάρχει το tRNA που φέρνει τα αμινοξέα, υπάρχουν τα συστατικά RNA του ριβοσώματος, που αποδεικνύεται ότι ενορχηστρώνουν τα πάντα, κάνουν την κατάλυση. Και φυσικά, υπάρχει το αγγελιοφόρο RNA, το οποίο, ξέρετε, νομίζω ότι τώρα όλοι γνωρίζουν για το αγγελιοφόρο RNA αυτές τις μέρες, έτσι δεν είναι;

Strogatz (07:24):Σωστά, γιατί έχουμε τα εμβόλια mRNA, όπως το Moderna και το Pfizer. Σωστά. Έχουμε λοιπόν αυτούς τους τρεις ενδιαφέροντες ρόλους, το αγγελιαφόρο RNA, το μεταφορικό RNA και το ίδιο το ριβόσωμα κατασκευασμένο από RNA. Και έτσι αυτό είναι μέρος της ένδειξης, καθώς μιλάμε για ενδείξεις, που υποδηλώνει ότι το RNA είναι πολύ, πολύ θεμελιώδες.

Szostak (07:43):Ναι, ακριβώς. Όταν λύθηκε η κρυσταλλική δομή του ριβοσώματος, μπορούσαμε να δούμε την καταλυτική θέση. Είναι σαφές ότι το RNA είναι αυτό που παράγει τις πρωτεΐνες. Λογικά, λοιπόν, ξεφεύγετε από αυτό το είδος αυτοαναφορικής θηλιάς και το μόνο που χρειάζεστε είναι η ιδέα ότι οι πρώιμες μορφές ζωής χρησιμοποιούσαν το RNA ως γενετικό τους υλικό, ξέρετε, ακριβώς όπως βλέπουμε στους ιούς σήμερα. Και χρησιμοποίησαν επίσης RNA ως καταλυτικό τους υλικό. Και έτσι τα ένζυμα τους κατασκευάστηκαν από RNA. Και έτσι τώρα, το πρόβλημα είναι πολύ πιο απλό, σωστά; Απλώς πρέπει να γνωρίζετε ή να καταλάβετε πώς να πάτε από τη χημεία σε απλά κύτταρα που βασίζονται σε RNA.

Strogatz (08:26):Αυτό είναι υπέροχο. Λοιπόν, Σέρλοκ, μας έφερες σε αυτό, σε αυτό το σημείο όπου αυτή τη στιγμή έχουμε έναν πολύ σημαντικό ύποπτο, ότι το RNA είναι κατά κάποιο τρόπο πολύ κομβικό στην ιστορία της πρώιμης ζωής στη Γη.

Szostak (08:38):Λοιπόν, πρέπει να καταλάβετε πώς να λάβετε RNA. Και αυτό δεν είναι τόσο εύκολο.

Strogatz (08:44):Αχα. Και αυτό συγκεκριμένα δεν είναι κάτι που εμφανίστηκε στις αστραπιαίες σπίθες του Stanley Miller. Σωστά, δεν παρήγαγαν καθόλου RNA σε αυτό το πείραμα, όπως θυμάμαι.

Szostak (08:55):Αυτό είναι σωστό. Αλλά μπορεί να υπήρχαν ίχνη ορισμένων από τα συστατικά, όπως η αδενίνη, επειδή, στην πραγματικότητα, το κυάνιο παρασκευάζεται σε αυτά τα πειράματα τύπου Miller-Urey και το κυανίδιο συναρμολογείται αρκετά εύκολα σε αδενίνη. Αλλά πολλά άλλα δομικά στοιχεία είναι πιο δύσκολο να κατασκευαστούν.

Strogatz (09:14):Λοιπόν, ίσως πρέπει να μιλήσουμε για το κυάνιο, αφού το αναφέρατε. Είμαι βέβαιος ότι πολλοί άνθρωποι που το ακούνε αυτό θα τρομοκρατηθούν, νομίζοντας ότι το κυάνιο είναι ο τρόπος με τον οποίο σκοτώνεις ανθρώπους.

Szostak (09:22):Νομίζω ότι είναι μια από τις υπέροχες ειρωνείες όλου του πεδίου, ότι το καλύτερο υλικό εκκίνησης για τη δημιουργία όλων των μορίων της ζωής, αποδεικνύεται ότι είναι το κυάνιο.

Strogatz (09:31):Αυτό είναι εκπληκτικό. Εντάξει, πείτε μας περισσότερα για αυτό.

Szostak (09:34):Λοιπόν, ήταν πραγματικά γνωστό, νομίζω, πάλι πίσω στη δεκαετία του '60 ή ίσως στη δεκαετία του '70, ότι το κυάνιο έχει μια πολύ πλούσια χημεία όταν αρχίζει να αντιδρά με τον εαυτό του. Και υπήρξε ένα βασικό πείραμα που έγινε από τον Joan Oró, που έδειξε ότι το κυάνιο μπορούσε να συναρμολογηθεί για να κάνει την αδενίνη αρκετά αποτελεσματικά. Και πολλοί άνθρωποι εργάστηκαν σε τρόπους για να ξεκινήσουν από το κυάνιο και τις σχετικές ενώσεις για να φτάσουν στα άλλα δομικά στοιχεία του RNA.

(10:06) Ένα από τα προβλήματα με το κυάνιο είναι ότι μπορείτε να φτιάξετε κυάνιο στην ατμόσφαιρα, αλλά θα βρέξει στην επιφάνεια ως πολύ αραιό διάλυμα. Και αυτό δεν είναι πολύ χρήσιμο, χρειάζεστε έναν τρόπο να το συγκεντρώσετε και να το αποθηκεύσετε. Και αυτό είναι κάτι που έχει μια πραγματικά πολύ αξιοσημείωτη, απλή και αποτελεσματική λύση, η οποία είναι ότι μπορείτε να συλλάβετε κυάνιο [με] σίδηρο, σε διάλυμα για να φτιάξετε μια πολύ ασφαλή μη τοξική ένωση που ονομάζεται σιδηροκυανίδιο. Επομένως, σε ορισμένα είδη λιμνών, το σιδηροκυανίδιο μπορεί να συσσωρευτεί με την πάροδο του χρόνου.

(10:44) Έτσι, λοιπόν, το σίδερο ανεβαίνει από τα υπόγεια ύδατα. Το κυάνιο προέρχεται από την ατμόσφαιρα. Συνδυάζονται σε αυτές τις, ίσως, ρηχές λίμνες, λιμνούλες, οτιδήποτε. Μερικά άλατα κυανίου μπορούν να καταβυθιστούν και να συσσωρευτούν ως ένα είδος ιζήματος. Τέλος πάντων, αυτή είναι η ιδέα. Έτσι έχετε μια τεράστια δεξαμενή συμπυκνωμένου κυανίου.

Strogatz (11:06):Μμ. Οπότε δεν είναι τόσο μακριά από τη μικρή λιμνούλα του Δαρβίνου, αν σας ακούω καλά.

Szostak (11:11):Η ιδέα είναι ότι τώρα έχετε αυτή τη στερεή δεξαμενή κυανίου με τη μορφή σιδηροκυανιούχου. Αλλά τώρα, πώς έχετε πρόσβαση σε αυτό για να κάνετε χημεία, σωστά; Υπάρχουν λοιπόν διαφορετικά σενάρια, αλλά βασικά, όταν το θερμαίνετε — οπότε αν υπάρχει πρόσκρουση από μετεωρίτη ή εάν ρέει λάβα από πάνω του, μπορείτε βασικά να μετατρέψετε το σιδηροκυανίδιο σε μια σειρά από άλλες ενώσεις που είναι, πάλι, πιο αντιδραστικό. Και τώρα, μπορείτε να αρχίσετε να δημιουργείτε πιο πολύπλοκα μόρια.

Strogatz (11:44):Επομένως, δεν είναι μόνο το θέμα του ήλιου που λάμπει πάνω του, λέτε ότι χρειάζεστε κάτι είδος βίας. Μιλάτε είτε για μετεωρίτες που χτυπούν είτε για κομήτες ή κάτι τέτοιο.

Szostak (11:53):Ναι, ή, ξέρετε, ηφαιστειακό — ναι, πιστεύουμε ότι τα περιβάλλοντα ήταν πολύ ηφαιστειακά ενεργά. Έτσι, ξέρετε, η ύπαρξη ροών λάβας θα ήταν κάτι πολύ συνηθισμένο. Αυτό μπορεί να μεταμορφώσει το σιδηροκυανίδιο. Μετά, ναι, αργότερα, τα πράγματα κρυώνουν, πέφτει βροχή, διαλύει αυτές τις ενώσεις, πάλι σε μια ρηχή λίμνη, μια λίμνη. Τώρα είμαστε λίγο πιο κοντά στη ζεστή μικρή λιμνούλα του Δαρβίνου. Και τώρα, το φως του ήλιου έχει κρίσιμο ρόλο, γιατί οι πολλές, πολλές φωτοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται, τουλάχιστον στη χημεία του Sutherland, για να σας φέρουν στο επίπεδο των νουκλεοτιδίων, των αμινοξέων, των λιπιδίων. [Σημείωση του συντάκτη:Ο Szostak αναφέρεται στο θεωρίες για την πρεβιοτική χημεία που υποστηρίζεται από Τζον Σάδερλαντ του Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας του Συμβουλίου Ιατρικής Έρευνας και άλλων. ] Αλλά, ουσιαστικά, η ιδέα είναι να φτιάξετε όλες αυτές τις ενώσεις από κυάνιο.

Strogatz (11:54):Χμ. Απίστευτος. Λοιπόν, ίσως θα έπρεπε να επιστρέψουμε τότε σε αυτό το θέμα του, ξέρετε, τώρα που έχουμε τον κόσμο των κυανιδίων, μπορούμε με κάποιο τρόπο να ανεβούμε στον κόσμο του RNA, εκτός από το ότι, προφανώς, αυτό είναι ένα μεγάλο μυστήριο, ακόμα, σωστά;

Szostak (12:51):Λοιπόν, νομίζω ότι το μονοπάτι για να φτάσουμε σε δύο από τα τέσσερα δομικά στοιχεία του RNA είναι ίσως κατά 90% επεξεργασμένο; Και θα έλεγα ένα από τα μεγαλύτερα βήματα - έχουμε όλη αυτή την ενέργεια από το φως του ήλιου, σωστά; Αλλά το ερώτημα είναι, πώς μετατρέπετε αυτή την ενέργεια σε ενέργεια που είναι σε χρήσιμη μορφή, ένα είδος χημικής ενέργειας που μπορεί να οδηγήσει αυτά τα δομικά στοιχεία να συμπυκνωθούν σε μακριές αλυσίδες RNA; Νομίζω ότι όλοι θα συμφωνούσαμε ότι αυτό δεν έχει λυθεί.

Strogatz (13:25):Λοιπόν, μας έχετε μιλήσει πολύ για τις αρετές του RNA ως ένα είδος τριπλής απειλής, όλα αυτά τα πράγματα που κάνει στη σύγχρονη βιολογία. Αλλά είναι λίγο περίεργο να μην ακούτε για το πιο διάσημο DNA του ξαδέλφου του. Υπάρχει κάτι λάθος με το DNA σε σύγκριση με το RNA για την πρώιμη ζωή;

Szostak (13:41):Αυτή είναι πραγματικά μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα ερώτηση. Παλιότερα πιστεύαμε ότι η ζωή ξεκίνησε οπωσδήποτε μόνο με RNA, γιατί σκεφτόμασταν τα ριβοένζυμα, τους καταλύτες RNA, τους ρόλους του RNA στα σύγχρονα κύτταρα. Αλλά υπάρχουν κάποιες ενδείξεις από τη χημεία που κυκλοφόρησαν πρόσφατα και υποδηλώνουν ότι τα δομικά στοιχεία του RNA και του DNA μπορεί να έχουν κατασκευαστεί δίπλα-δίπλα, στο ίδιο περιβάλλον την ίδια στιγμή, στο ίδιο μέρος. Και έτσι, μια πιθανότητα είναι ότι το πρώιμο γενετικό υλικό ήταν στην πραγματικότητα κάποιο είδος μικτού συμπολυμερούς RNA και DNA. Τα πειράματά μας υποδεικνύουν ότι η χημεία αντιγραφής RNA είναι ταχύτερη από τις ίδιες αντιδράσεις που θα αντιγράφουν το DNA, επομένως εξακολουθώ να πιστεύω ότι το RNA θα είχε ανταγωνιστεί το DNA από νωρίς, αλλά αυτός είναι ένας πολύ ενεργός τομέας έρευνας. Πολλοί άνθρωποι εργάζονται σε αυτό, οι συνθετικές οδοί εξακολουθούν να επεξεργάζονται.

Strogatz (14:41):Νωρίτερα, αναφέρατε μια άλλη σημαντική ένδειξη, η οποία είναι ότι οι σύγχρονες μεμβράνες είναι συχνά, ίσως, πάντα κατασκευασμένες από λιπίδια. Θα πρέπει λοιπόν να μιλήσουμε για αυτήν την πτυχή του προβλήματος, τη διαμερισματοποίηση που αναφέρατε στην πρώιμη δημιουργία κυψελών ή πρωτοκυττάρων ή — ξέρω ότι έχετε δουλέψει μόνοι σας πάνω σε αυτό, γιατί δεν μας πείτε μερικές από αυτές τις ιστορίες;

Szostak (15:03):Αν κοιτάξουμε τη σύγχρονη βιολογία, τα κύτταρα οριοθετούνται από μεμβράνες και τείνουν να είναι αρκετά περίπλοκες δομές. Τα μόρια, τα λιπίδια που χτίζουν τις σύγχρονες μεμβράνες είναι σχετικά πολύπλοκα μόρια — φωσφολιπίδια και μια ολόκληρη σειρά σχετικών τύπων μορίων. Αλλά αποδεικνύεται ότι μπορείτε να φτιάξετε πολύ παρόμοιες μεμβράνες από πολύ πιο απλά μόρια. Πράγματα όπως τα λιπαρά οξέα, βασικά το σαπούνι. Νομίζω ότι είναι πολύ ελκυστικό, ξέρετε, ότι μπορείτε να φτιάξετε τις μεμβράνες που χρειάζεστε για να φτιάξετε αρχέγονα διαμερίσματα από τόσο απλά δομικά στοιχεία.

Strogatz (15:39):Λοιπόν, υποθέτω ότι δεν καταλαβαίνω πώς θα συνέβαινε η αναπαραγωγή, στο επίπεδο ολόκληρου του κυττάρου, ή αυτού του πρωτοκυττάρου, σε εκείνο το σημείο.

Szostak (15:47):Εντάξει, μπορώ να σας πω πού βρισκόμαστε. Έτσι, πριν από αρκετά χρόνια, βρήκαμε τρόπους να κάνουμε αυτές τις πρωτόγονες μεμβράνες, τις μεμβράνες λιπαρών οξέων, να μεγαλώνουν και να διαιρούνται. Τροφοδοτούνται εύκολα με περισσότερα λιπαρά οξέα. Και δεν χρειάζονται πολλά για να τους χωρίσουν. Έτσι, για παράδειγμα, το απαλό τίναγμα θα το κάνει. Από την άλλη πλευρά, η αντιγραφή αλληλουχιών RNA είναι πολύ πιο δύσκολο πρόβλημα. Και έτσι, γι' αυτό - εστιάζουμε πραγματικά σε αυτό στο εργαστήριό μου αυτή τη στιγμή. Έχουμε γίνει καλύτεροι στην αντιγραφή αλληλουχιών RNA. Αυτό σημαίνει ότι εάν έχετε, ας πούμε ότι έχετε έναν κλώνο RNA, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε ως πρότυπο για να δημιουργήσετε τον συμπληρωματικό κλώνο και, στη συνέχεια, θα λάβετε μια διπλή έλικα, κάπως σαν τη διπλή έλικα του DNA, εκτός από ένα Διπλή έλικα RNA. Αλλά ένα μεγάλο πρόβλημα είναι πώς μπορείτε να ξεχωρίσετε αυτά τα σκέλη και να αντιγράψετε τα αντίγραφα και στη συνέχεια να αντιγράψετε αυτά τα αντίγραφα. Και έχουμε ιδέες για το πώς να το κάνουμε, αλλά δεν έχουμε φτάσει ακόμα εκεί. Αυτή είναι η μεγάλη πρόκληση για τα επόμενα δύο χρόνια.

Strogatz (16:53):Λοιπόν, σε ευχαριστώ πολύ, Τζακ. Αυτό ήταν πραγματικά συναρπαστικό και εκτιμούμε πραγματικά που αφιερώσατε χρόνο για να είστε μαζί μας σήμερα.

Szostak (16:59):Ευχαριστώ, Steve. Ήταν χαρά μου. Μιλώντας για την προέλευση της ζωής, είναι το αγαπημένο μου θέμα, οπότε, χαίρομαι που μιλάμε για αυτό.

Εκφωνητής (17:09):Θέλετε να μάθετε τι συμβαίνει στα όρια των μαθηματικών, της φυσικής, της επιστήμης των υπολογιστών και της βιολογίας; Μπλέξτε με το Quanta Magazine , μια εκδοτικά ανεξάρτητη έκδοση που υποστηρίζεται από το Ίδρυμα Simons. Η αποστολή μας είναι να φωτίσουμε τη βασική έρευνα των φυσικών επιστημών και των μαθηματικών μέσω της δημόσιας δημοσιογραφίας. Επισκεφθείτε μας στο quntamagazine.org.

Strogatz (17:36):Ο Jack Szostak προσπαθεί να καταλάβει πώς η ζωή θα μπορούσε να έχει προκύψει από τη μη ζωή, από τη χημεία και τη φυσική και τη γεωλογία. Είναι σαν να ξεκινάει από την αρχή, πριν υπάρξει ζωή, και να προσπαθεί να πάει μπροστά, για να δει πώς ξεκίνησε η ζωή. Υπάρχουν όμως και επιστήμονες που επιχειρούν την αντίθετη στρατηγική. Ξεκινούν με ό,τι γνωρίζουμε για τη ζωή σήμερα και προσπαθούν να μεταφέρουν την ταινία προς τα πίσω, χρησιμοποιώντας την εξέλιξη για να προσπαθήσουν να δουν πολύ πίσω στο χρόνο, δισεκατομμύρια χρόνια πριν, για να ανασυνθέσουν πώς ήταν η ζωή στις πρώτες μέρες της. Μόνο που δεν χρησιμοποιούν απολιθώματα για να χτίσουν το δέντρο της ζωής τους. Χρησιμοποιούν μόρια, όπως το DNA, ως ενδείξεις τους.

Μαζί μου τώρα είναι η Betül Kaçar. Είναι επίκουρη καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, στο τμήμα βακτηριολογίας. Είναι επίσης η κύρια ερευνήτρια του Project MUSE, μιας σημαντικής ερευνητικής πρωτοβουλίας αστροβιολογίας που χρηματοδοτείται από τη NASA. Betül Kaçar, ευχαριστώ πολύ που είστε εδώ.

Betül Kaçar (18:33):Ευχαριστώ που με έχετε.

Strogatz (18:34):Είμαι τόσο ενθουσιασμένος που σας μιλάω, μου αρέσει η δουλειά σας. Και αναρωτιέμαι αν θα μπορούσαμε να ξεκινήσουμε με εσάς να μας πείτε λίγα λόγια για την προσέγγισή σας στην αναζήτηση απαντήσεων στο πώς ήταν η ζωή πριν από δισεκατομμύρια χρόνια; Τι είδους ενδείξεις ψάχνετε;

Kaçar (18:48):Μας ενδιαφέρει να κατανοήσουμε την πρώιμη ζωή. Αν το σκεφτείτε, η προέλευση της ζωής και η πρώιμη εξέλιξη δημιούργησαν τα σχέδια για οτιδήποτε περίπλοκο γύρω μας. Μας ενδιαφέρει να κατανοήσουμε αυτό το σχέδιο. Χρησιμοποιούμε σύγχρονες βιολογικές πληροφορίες για να ανιχνεύσουμε την ιστορία της ζωής σε αυτόν τον πλανήτη, ιδιαίτερα εστιάζοντας σε σημαντικούς μεταβολισμούς, βασικές αντιδράσεις και βασικές βιολογικές διεργασίες. Προσπαθούμε να καταλάβουμε πώς προέκυψαν, πώς άκμασαν; Πώς έδωσαν τον τόνο της ζωής σε αυτόν τον πλανήτη, κατά κάποιο τρόπο, επίσης.

Strogatz (19:29):Είναι τόσο ωραία ιδέα που οι ενδείξεις βρίσκονται παντού γύρω μας σήμερα, όπως λέτε, στους μεταβολισμούς των ζωντανών πραγμάτων σήμερα, ωστόσο με κάποιο τρόπο μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτές τις πληροφορίες για να πάτε πίσω δισεκατομμύρια χρόνια;

Kaçar (19:41):Ναι, λοιπόν, προσπαθούμε να καταλάβουμε ποια κοινά στοιχεία μοιράζονται οι σημερινοί ζωντανοί οργανισμοί μεταξύ τους; Μπορεί ακόμη και να το σκεφτείτε ως ένα διάγραμμα Venn όλων των μεταβολισμών που υπάρχουν σε όλους τους τομείς της ζωής. Και μετά προσπαθούμε να καταλάβουμε τι είναι κοινό μεταξύ των ζωντανών οργανισμών σήμερα, και αν μπορούμε να τους αποδώσουμε ως τις κοινές διαδικασίες που υπήρχαν επίσης νωρίς, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή είναι λοιπόν η αρχική υπόθεση που κάνουμε. Και πρέπει να το πω πραγματικά ανοιχτά, στην αρχή, ότι η μελέτη της πρώιμης ζωής βασίζεται στο να κάνεις πολλές υποθέσεις. Κανείς δεν είχε πλαίσιο ελέγχου, κανείς δεν είχε πίνακα για να επιστρέψει και να καταγράψει τα πάντα και να τα επαναφέρει στο σήμερα. Και προσέχουμε πολύ τι είδους υποθέσεις κάνουμε για να κατανοήσουμε το παρελθόν. Αυτό είναι πολύ δύσκολο, ξέρετε, προσπαθούμε να καταλάβουμε κάτι που, οι ενδείξεις αυτών των διαδικασιών, οι περισσότερες από αυτές έχουν διαγραφεί. Οπότε, είναι ένας τρόπος του Σέρλοκ Χολμς να βλέπει το παρελθόν και νομίζω ότι η ίδια η πρόκληση το κάνει πολύ συναρπαστικό.

Strogatz (20:47):Είναι φανταστικό. Μου αρέσει αυτή η αναλογία. Είναι τέλειο. Είναι σαν τον Σέρλοκ Χολμς. Θέλω να πω, επειδή υπάρχει κάποια απαγωγική συλλογιστική. Υπάρχουν ενδείξεις, αλλά είναι ατελείς, πρέπει να κάνετε κάποιες υποθέσεις, μερικές καλές εικασίες.

Kaçar (20:58):Ακριβώς. Πάντα ήθελα να γίνω αρχαιολόγος. Και νιώθω ότι εκπλήρωσα αυτό το όνειρο.

Strogatz (21:04):Ενδιαφέρον. Έτσι, είστε σαν μοριακός ή βιολογικός αρχαιολόγος ή κάτι τέτοιο.

Kaçar (21:09):Ορίστε. Παλαιογενετιστής. Έτσι, αυτό είναι ό,τι πιο κοντά θα μπορούσα να φτάσω στο παιδικό μου όνειρο.

Strogatz (21:14):Ξέρετε, αναφέρετε τον Σέρλοκ Χολμς. Σε άκουσα να λες, σε άλλη συνέντευξη, ότι νιώθεις ότι αυτό που κάνεις είναι να ξυπνάς την Ωραία Κοιμωμένη.

Kaçar (21:24):Ναι, μερικά από αυτά είναι όμορφα και μερικά από αυτά είναι πολύ άσχημα, στην πραγματικότητα.

Strogatz (21:27):Αυτοί ποιοι; Τι είναι αυτά;

Kaçar (21:29):Οι πρωτεΐνες, και μερικές φορές τα δίκτυά τους, όταν τις φέρνουμε στο παρόν, απλά δεν θέλουν να είναι εδώ. Με αυτό εννοώ, πειραματικά, μας ενδιαφέρει να τα μελετήσουμε στο εργαστήριο και μπορούν να αυξήσουν τις προκλήσεις όσον αφορά την ικανότητά μας να τα καθαρίζουμε, την ικανότητά μας να τα συνθέτουμε αρχικά, την ικανότητά μας να τα χαρακτηρίζουμε. Αυτά είναι δύσκολα προβλήματα, ακόμη και για τις σύγχρονες πρωτεΐνες του σήμερα. Και η ενασχόληση με ένα προγονικό DNA που παράγουμε χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα, εξελικτικά μοντέλα και πολλά συμπεράσματα, και που στη συνέχεια παράγουμε στο εργαστήριο συνθέτοντας χρησιμοποιώντας σύγχρονους οργανισμούς ως ξενιστή, προσθέτει ένα άλλο στρώμα πρόκλησης στο πρόβλημα της βιοχημείας πρωτεϊνών Συνολικά. Μας είναι σχεδόν ξένοι. Επομένως, είναι ασφαλές να πούμε ότι έχουμε να κάνουμε με μια μορφή εξωγήινου μορίου, αν το καλοσκεφτείτε. Ένα κομμάτι του παρελθόντος που υπήρχε κάποτε σε αυτόν τον πλανήτη.

Strogatz (22:25):Ναι, μου περνάει από το μυαλό καθώς το λέμε τώρα, ότι λείπουν κάποια βήματα που μάλλον θα έπρεπε να σε βάλω να μας καθοδηγήσεις. Έτσι, πριν από λίγα λεπτά, είπατε ότι σκέφτεστε τα μόρια σήμερα που σχετίζονται με τον μεταβολισμό, ας πούμε. Ή υποθέτω ότι θα μπορούσαν να είναι μόρια πληροφοριών, RNA και DNA και τέτοια πράγματα. Και μετά προσπαθείς να ανασυγκροτήσεις, μέσα από ένα είδος δέντρου της ζωής ή ίσως ένα μοριακό δέντρο κάποιων… Σε ένα διαφορετικό πεδίο, στη γλωσσολογία, οι γλωσσολόγοι μπορούν να δουν τις γλώσσες σήμερα — γαλλικά, ισπανικά, γερμανικά, τουρκικά — και να προσπαθήσουν να ανασυνθέσουν αυτό που γλώσσες από τις οποίες μπορεί να έχουν εξελιχθεί. Και ξέρω ότι οι γλωσσολόγοι πιστεύουν ότι υπήρχαν κάποιες αρχαίες γλώσσες που δεν μιλιούνται πλέον στη Γη. Υπάρχει μια που ονομάζεται ινδοευρωπαϊκή και πιστεύεται ότι είναι μια προγονική γλώσσα για πολλές από τις γλώσσες στην Ευρώπη, ούτως ή άλλως, σήμερα. Αλλά είναι υποθετικό, δεν υπάρχουν ομιλητές της Ινδοευρωπαϊκής σήμερα. Αναρωτιέμαι αν θα λέγατε ότι η διαδικασία σας είναι κάπως έτσι εκτός από μόρια και όχι γλώσσες.

Kaçar (23:25):Μοιάζει πολύ. Εστιάζουμε στη γλώσσα της ζωής, στα αμινοξέα, στο DNA και στο πώς αυτά εκφράζονται με τη μορφή πρωτεϊνών. Και μετά προσπαθούμε να χρησιμοποιήσουμε τη γλώσσα της ζωής - DNA και αμινοξέα, αναφερόμενοι πραγματικά στα γονίδια και τα προϊόντα τους, τις πρωτεΐνες - για να ανασυνθέσουμε το παρελθόν στην αρχή. Αυτό μοιάζει πολύ με αυτό που κάνουν οι γλωσσολόγοι. Ενώ οι γλωσσολόγοι αναβιώνουν τις αρχαίες γλώσσες, το κάνουν επίσης με στόχο να προσπαθήσουν να κατανοήσουν τον πολιτισμό που χρησιμοποιεί την αρχαία γλώσσα, πώς επιβίωσαν, σε ποια εργαλεία βασίστηκαν για να αποκτήσουν καθημερινά και είναι πολύ παρόμοιο με αυτό που εμείς προσπαθούν να κάνουν. Προσπαθούμε να ανακατασκευάσουμε τη γλώσσα της ζωής για να κατανοήσουμε τον πρώιμο πολιτισμό της ζωής.

Strogatz (24:12):Ας δούμε εδώ. Παίρνετε πληροφορίες για αυτά τα προγονικά μόρια ανάλογα με τις προγονικές γλώσσες. Πείτε μας λίγο αναλυτικά, για παράδειγμα, τι ακριβώς κάνετε; Πείτε μας για μερικά από τα μόρια που έχετε, για να χρησιμοποιήσω την υπέροχη λέξη σας, αναστήθηκε.

Kaçar (24:27):Προσπαθούμε να επικεντρωθούμε σε μόρια που πιστεύουμε ότι επεκτείνουν την παρουσία τους μέχρι την αρχή της ζωής, ή τουλάχιστον στην πρώτη ζωή. Έτσι έχουμε την τάση να πιστεύουμε ότι αυτά είναι απαραίτητα και πραγματικά αρχαία μόρια. Εάν μοιράζονται όλη η ζωή όπως τη γνωρίζουμε σήμερα, υποθέτουμε ότι πρέπει να ήταν παρόντα ή μια εκδοχή αυτών των μορίων πρέπει να ήταν παρούσα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια επίσης. Αλλά τώρα, με τη βελτιωμένη υπολογιστική και μαθηματική και εξελικτική μοντελοποίηση που υπάρχει γύρω μας, καθώς και τη βελτιωμένη διαθεσιμότητα αλληλουχίας, μπορούμε να προσπαθήσουμε και το κάνουμε επίσης, να αναστήσουμε τις αρχαίες αλληλουχίες DNA. Και μιλάω για δισεκατομμύρια χρόνια, δισεκατομμύρια χρόνια αλληλουχίες γονιδίων.

Επομένως, αυτές δεν είναι αρχαίες αλληλουχίες DNA που προέρχονται από έναν μόνιμο παγετό. Αυτές είναι συναγόμενες ακολουθίες ηλικίας 3, 3,5 δισεκατομμυρίων ετών. Και μετά, μόλις κάνουμε την πρόβλεψη στον υπολογιστή, συνθέτουμε αυτά τα γονίδια στο εργαστήριο. Έτσι τα επαναφέρουμε κάπως στο παρόν. Και ρωτάμε αυτά τα μόρια, εντάξει, πες μας για σένα, σωστά; Μίλησέ μας για το πού ζούσες. Πείτε μας τι προτιμάτε.

Strogatz (25:38):Λοιπόν, ξέρετε, εννοώ, πολλοί άνθρωποι ακούγοντας αυτό θα σκέφτονται το Jurassic Park . Και ίσως το έχετε, οι άνθρωποι σας έχουν ρωτήσει για αυτό.

Kaçar (25:45):Η κύρια διαφορά εδώ είναι ότι δεν έχουμε να κάνουμε με έναν αρχαίο οργανισμό. Αλλά — άρα είναι κάπως το αντίθετο, γιατί έχουμε να κάνουμε με ένα θραύσμα που κατασκευάζουμε μέσα στον σύγχρονο οργανισμό. Δεν ασχολούμαστε λοιπόν με τον αρχαίο οργανισμό ή το λείψανο με κανέναν τρόπο. Ειδικά επειδή έχουμε να κάνουμε με μόρια που έχουν λειτουργήσει τα ίδια για δισεκατομμύρια χρόνια, απλά δεν μπορούμε να εξαγάγουμε DNA που δεν είναι καλά συντηρημένο, ούτως ή άλλως από πετρώματα.

Strogatz (26:13):Ας γίνουμε λίγο πιο συγκεκριμένοι για το μόριο. Θυμάμαι, λοιπόν, πριν από χρόνια, που έμαθα για το έργο του Carl Woese, ο οποίος χρησιμοποιούσε στα τέλη της δεκαετίας του 1960, το ριβοσωματικό RNA, το οποίο σχεδόν κάθε ζωντανό ον στη Γη σήμερα — εννοώ, είναι σωστό, σωστά ? Όλοι πρέπει να έχουν ριβοσώματα;

Kaçar (26:30):Ναι. Δεν είναι θαυμάσιο, παρεμπιπτόντως;

Strogatz (26:35):Σωστά, τα έχουμε όλοι! Βακτήρια, άνθρωποι, ελέφαντες, ποντίκια.

Kaçar (26:38):Ναι, είναι απολύτως συναρπαστικό το γεγονός ότι όλοι, σαν, ένα σωρό οργανικοί υπολογιστές περπατούν με αυτό το κέντρο επεξεργασίας, που θεωρούμε ριβόσωμα, που επεξεργάζεται τις πληροφορίες που του τροφοδοτούνται με τη μορφή RNA , που μεταφράζει αυτές τις πληροφορίες σε προϊόντα που έχουν νόημα τις περισσότερες φορές - χρήσιμα με νόημα - τα οποία στη συνέχεια θα ληφθούν από το υπόλοιπο κύτταρο και στη συνέχεια το κάνει αυτό συνεχώς για δισεκατομμύρια χρόνια. Κάποιοι μπορεί ακόμη και να πουν ότι μπορεί να μην υπάρχουν μορφές ζωής στο σύμπαν που να μην έχουν παρόμοιο κέντρο επεξεργασίας πληροφοριών. Κάτι σαν το ριβόσωμα πρέπει να είναι το θεμέλιο, μια καθολική ιδιότητα όλης της ζωής, όπου κι αν βρίσκεται.

Strogatz (27:23):Είμαι πραγματικά εντυπωσιασμένος από αυτή τη λέξη που μόλις χρησιμοποιήσατε, μια φράση, είπατε έναν οργανικό υπολογιστή. Αλλά για να το ακούσουμε τόσο έντονα, ότι τα ριβοσώματα είναι οργανικοί υπολογιστές που μεταφράζουν — ξέρετε, ότι παίρνουν μια είσοδο, κάποιο μόριο πληροφοριών, όπως το RNA, και μετά παράγουν μια έξοδο, όπως οι πρωτεΐνες που κάνουν ό,τι χρειάζεται το σώμα μας. Μου αρέσει αυτή η μεταφορά ή αυτή η αναλογία.

Kaçar (27:46) Είναι μια από τις σημαντικότερες, και πιθανώς ίσως η πρώτη εφεύρεση της ζωής, και είναι σχεδόν μια επανάσταση, πιθανώς, γιατί μπορεί ακόμη και να καταλύσει τη μετάβαση από το μη ζωντανό στο ζωντανό. Κι όμως, δεν ξέρουμε πώς έγινε αυτό. Λοιπόν, καταλαβαίνετε γιατί μελετάμε την πρώιμη ζωή τώρα; Αυτό εννοώ με το σχέδιο της ζωής, ότι αυτές οι εφευρέσεις, οι επαναστάσεις σε μοριακό επίπεδο, δίνουν τον τόνο για αυτό που βλέπουμε γύρω μας σήμερα, δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Έτσι, κάθε αιώνας που διανύουμε, και όλα όσα βασιζόμαστε, τα βιολογικά μας - ως βιολογικά συστήματα, εξαρτώνται από αυτές τις επαναστάσεις που έλαβαν χώρα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Το ριβόσωμα μπορεί να θεωρηθεί ως το κύριο κέντρο επεξεργασίας στον πυρήνα των δεξιοτήτων επίλυσης προβλημάτων της ζωής. Και δημιουργεί μια ωραία γέφυρα μεταξύ του κόσμου του RNA και των πολύπλοκων κυτταρικών συστημάτων γιατί συνδυάζει RNA, συνδυάζει ένζυμα που εξαρτώνται από RNA, συνδυάζει πρωτεΐνες. Έχει λοιπόν λίγο από όλα όσα πιστεύουμε ότι υπήρχαν νωρίς στην αυγή της ζωής.

Strogatz (27:46):Αν βρούμε ζωή αλλού στο σύμπαν, νομίζετε ότι θα υπάρχει κάτι παρόμοιο με ένα ριβόσωμα, κάτι τέτοιο, αυτό, νομίζετε ότι είναι ίσως ένα παγκόσμιο πρόβλημα. Δεν χρειάζεται να είναι, απαραίτητα, δικό μας με την ίδια χημεία. Αλλά πιστεύετε ότι πρέπει να υπάρχει κάτι που παίζει τον ρόλο που παίζει ένα ριβόσωμα εδώ στη Γη.

Kaçar (29:06):I would think so. Because I would think that a living system, or a system that is behaving like living, or lifelike, it should be able to sense and process its own environment. At the chemical level, I would think that something, like a translation — I like that we call it translation, it is really translating the language of the environment into language of life — must be one of the necessary components. So I would think that if we were to find life outside of our planet, somewhere else, I will argue that it will probably have something like ribosome.

Strogatz (29:39):I feel like we should still talk a little bit more specifically about your work, the resurrection issue. Like, do you, in your work, actually reconstruct ancestral ribosomal RNA? Or what — tell me what molecules, I just don’t even know what you mean when you speak about this.

Kaçar (29:56):My lab is interested — we start by understanding first, or trying to understand, how life learned how to elongate, and what the proteins functioning in this elongation step did, billions of years ago. So that was my first —

Strogatz (30:10):Hold on one second with that. So we’re talking about elongating a, what, a DNA polymer? Or an RNA, or what?

Kaçar (30:16):We are talking about how the amino acid chains are, now, elongated in leaving the ribosome.

Strogatz (30:22):Okay, okay, so elongation of the amino acid chain.

Kaçar (30:25):Elongation of the product. Exactly.

Strogatz (30:27):Are you checking, say, different strains of bacteria, or yeast? Or who are your — who are your organisms?

Kaçar (30:34):So my organisms are bacteria. We use microbes pretty much for everything in my lab. I was a postdoctoral fellow, working at NASA Astrobiology Institute at this time. So I was reading a lot of Stephen Jay Gould, watching a lot of — way too much — Star Trek , and reading way too many Daniel Dennett books, and I thought, okay, well, maybe, if we have this methodology that was developed, first as an idea, in the ’60s — the chemical paleogenetics proposed by [Linus] Pauling and [Emile] Zuckerkandl, that maybe we can use DNA and amino acids as a way to reconstruct early organisms — and then been realized by synthetic biologists in the ’90s, why can’t we use microbes as the host organisms where we now, not only reconstruct the ancient DNA molecules, but engineer them inside the organisms? And again, then resurrect them by using the modern organisms as a host?

Strogatz (31:29):Let me just underline that. I think I’m getting — I want to check that I’m with you, I think I am. That earlier researchers talked about the inference step, trying to imagine what these ancestral sequences might have been like, and then they could — assuming the genetic code was similar back then to what it is today — they could infer what the peptides would be that would result from those sequences after being translated. Your new thing is to actually make those. You know, again, assuming the conservation of the genetic code over a long period of time. That you can make those molecules, you don’t have to just think about what their sequences were, you could actually make them now.

Kaçar (32:04):Yes, make them and not only synthesize them, and analyze them outside of the cell, but also genetically modify the organisms with these ancient DNA molecules, to study the evolution of these genes in tandem with the organism over geologic time. The goal I had was perhaps we can combine synthetic biology, evolutionary biology, phylogenetic trees, and develop experimental systems to make an attempt to reconstruct these early steps.

Kaçar (32:36):Translation was screaming at us, really saying “study me!” because it’s so essential, so conserved. It’s the, sort of the M.O. [modus operandi] of every cell. And yet, we don’t understand how the early steps evolved. So instead of focusing on the ribosome, we started by focusing on the proteins around it that make this ribosome do its job. Because if you think about it, a ribosome is a little, like, diva, in a way, it’s sort of sitting on its throne. And all these other proteins, the shuttle proteins as we like to think of them, really enable its function. They’re obsessed with this core system. It’s almost like butterflies and moths flying into the light. They bring amino acids and just sort of serve this entire, you know, this macromolecule that we call a ribosome. And to me, understanding how that — as a behavior, emerges, it’s just such a challenging and important question. And that’s also what we will be pushing forward over the next decade. And I’m really excited about that.

Strogatz (33:38):So one of the things I find really intriguing about your work is that it seems like you’re not just watching how ancient genes and their products behave, but also some of the experiments that you’ve done have addressed the question of how they might have evolved over long periods of time. That is, I mean, it feels like it’s related to a thought experiment that Stephen Jay Gould once discussed, where he was imagining rewinding the tape of life and letting evolution play out again and again, and he sort of thought that the story of life would turn out different every time. How did you approach this question with actual experiments and what did you find?

Kaçar (34:15):The debate that Steve Jay Gould initiated in the literature with regards to replaying tape of life definitely fed a lot of the early experiments that I’ve done. Not only, we reconstructed early components of the translation machinery and engineered them inside bacteria, but I also set up an evolution experiment to then replay the evolution for this system that is presumably representing a fragment of billions of years into the past. And I thought that paleogenetics, resurrecting ancient DNA, inserting these ancient DNA inside modern systems, and then evolving these ancient DNA systems in the lab would perhaps be a way to realize this thought experiment of rewinding and replaying. That was the motivation.

And I also, of course, got inspired by the work of Rich Lenski, at Michigan State, that set in-laboratory evolution experiment decades ago, and is creating his own fossil record of microbes, by simply subjecting them to controlled reproduction and populating them every day for a really long time. It’s the same E. coli bacteria that I used to engineer ancient translation gene. And I followed this similar experimental evolution system to watch how bacteria that is now operating using an ancient translation protein, that it’s not happy, meaning it’s growing really slow, looks really sick, really unhealthy —

Strogatz (35:46):Really? So with the ancestral protein, it sort of looks inferior or sick. It’s messed up.

Kaçar (35:52):Oh, yeah, it messed up the organism that was — they needed each other, but they didn’t want each other. So, you know, it was like a very complicated relationship unfolding in front of me. What are you going to do? I mean, the organism needed the elongation factor, and the only one that it used is this one that we forced it to live with. And then to just watch how the two will communicate.

Strogatz (36:15):Wait, I want to hear more about this. So it’s like, it’s like you have some modern-day car, but you’re giving it an old, some junky old part from a long time ago or something?

Kaçar (36:24):Exactly. And essential, too. So we deleted any other copy that may be present in the genome — that’s the modern version way to present. And forced bacteria to survive only by using this particular ancient elongation protein. After this insertion — and the engineering was a little messed up — it grew almost twice as slow. And even the colonies were looking really messed up to me. But the amazing thing about experimental evolution, and what we saw, is that the organism was able to recover from the small function in a matter of just tens of generations. So the recovery was very rapid.

It made sense if you think about it because they need to, again, to get along. This is, this is not a game. This is a survival thing, and life needs to find a way, and life did. Then we spent really long years to understand how this solution came about and what mutations that bacteria accumulate to deal with this old problem.

Strogatz (37:30):Please tell us a little bit about where you’re heading next. I mean, it sounds like you’re starting to work on this multi-year project called MUSE. What is that all about?

Kaçar (37:38):We expand our studies now to understand how metals and elements play a role in early life. We obtained a pretty substantial grant from NASA. It’s a multimillion-dollar, multi-investigator, multi-year grant to explore particularly how molybdenum, iron, vanadium, and many other interesting metals factor in the emergence and evolution of metabolisms, and how such interactions impacted the rock record.

Strogatz (38:09):Fantastic. Congratulations on that. And thanks again for sharing all these interesting insights you have about origins of life and early life. It’s been a great pleasure talking to you. Thank you.

Kaçar (38:20):Thank you so much for having me.

Announcer (38:26):If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or follow where you listen. It helps people find The Joy of Why podcast.

Strogatz (41:05):The Joy of Why is a podcast from Quanta Magazine , an editorially independent publication supported by the Simons Foundation. Funding decisions by the Simons Foundation have no influence on the selection of topics, guests, or other editorial decisions in this podcast or in Quanta Magazine . The Joy of Why is produced by Susan Valot and Polly Stryker. Our editors are John Rennie and Thomas Lin, with support by Matt Carlstrom, Annie Melchor, and Leila Sloman. Our theme music was composed by Richie Johnson. Our logo is by Jackie King, and artwork for the episodes is by Michael Driver and Samuel Velasco. I’m your host, Steve Strogatz. If you have any questions or comments for us, please email us at [email protected] Thanks for listening.