Biolodzy stworzą nowe życie?

Protokomórki tworzone pod kierownictwem Szostaka zbudowane są z tłuszczowych molekuł, które mogą przechowywać drobiny kwasu nukleinowego, zawierającego kod źródłowy niezbędny do replikacji. Przy zastosowaniu odpowiedniego procesu i dostarczeniu zewnętrznej energii (ze słońca lub reakcji chemicznej), komórki te mogą formować replikujące się, ewoluujące "systemy", które spełniać będą podstawową definicję żyjącego organizmu. Nie będzie to jednak organizm taki, jakie spotykamy na Ziemi dziś - ale taki, jaki mógł występować na naszej planecie gdy życie się zaczęło, a obecnie być może występuje gdzieś we wszechświecie.

Wyniki tych prac nie zostały na razie opublikowane - ale w czasie swojego wystąpienia na International Conference on the Origin of Life we Florencji Szostak opisał, jak jego zespołowi udało się sprawić, by protokomórki zawierające informacje genetyczną zaczęły się replikować.

Owo powielanie nie jest na razie w pełni autonomiczne, nie mamy więc do czynienia z prawdziwym "sztucznym życiem" - ale na pewno przybliża nas to do momentu, w którym uda się przekształcić substancje chemiczne w organizm biologiczny.

"Dokonaliśmy znacznego postępu w kwestii tego, jak membrana protokomórki może rosnąć i dzielić się. Obecnie potrafimy skopiować pewien ograniczony zestaw prostych sekwencji genetycznych, ale chcemy nauczyć się kopiować przypadkowe sekwencje - tak, by mogły one ewoluować " - tłumaczy Jack Szostak w wywiadzie telefonicznym.

Gdy do tego dojdzie, geny te będą w stanie stworzyć nową formę życia, która rozwijać się będzie według darwinowskiej teorii, podobnie jak najstarsze żyjące organizmy na Ziemi. Czy doprowadzi to do powstania zupełnie nowej firmy życia? - tego na razie nie da się stwierdzić.

Kiedy już stworzymy odpowiednie środowisko replikacje, mamy nadzieję eksperymentalnie sprawdzić, co może wyewoluować w tych warunkach - mówi Sheref Mansy, były członek zespołu Szostaka, a obecnie chemik z Denver University.

Prace z protokomórkami reprezentują dość radykalne podejście do kwestii stworzenia sztucznego życia - nawet bardziej radykalne niż biologia syntetyczna. Even J. Craig Venter pracuje na przykład obecnie nad stworzeniem sztucznej bakterii wyposażonej w najmniejszą możliwą liczbę genów, która wystarczy do życia - w pracach tych jako szablony wykorzystywane są prawdziwe organizmy. Badacze zajmujący się protokomórkami próbuje za to zaprojektować zupełnie nową formę życia - taką, o której ludzie wcześniej nie słyszeli i która być może nigdy nie istniała.

W ostatnich miesiącach zespół Szostaka opublikował artykuły na temat swoich prac w magazynach "Nature" oraz "Proceedings of the National Academy of Sciences" - naukowcy tłumaczą w nich, że stworzenie sztucznego życia nie jest jedynie ideą i że to oni będą pierwszymi, którzy tego dokonają. Ma to się stać już wkrótce.

Szostak ma nadzieję, że uzyska w swoim laboratorium kompletny, samodzielnie replikujący się system - komentuje Jeffrey Bada, chemik z University of California San Diego, który był współorganizatorem konferencji Origin of Life.

Trzeba jednak pamiętać, że współczesne żyjące organizmy są o wiele bardziej złożone i skomplikowane niż proste systemy, które buduje zespół Szostaka i inni badacze. Dlatego też stworzone przez nich komórki w niczym nie będą przypominały komórek składających się na ludzki organizm czy choćby modyfikowanych przez Ventera bakterii E.Coli.

"Z jednej strony, mamy tu do czynienia z początkami życia, zaś z drugiej - z prostą nanomaszyną na poziomie komórkowym" - tłumaczy Hans Ziock, badacz protokomórek z Los Alamos National Laboratory. Funkcje życiowe - podobnie jak w nanomaszynie - ograniczają się do wykorzystywania energii do wykonywania kolejnych kopii organizmu.

"Aby być użytecznym, musisz się odpowiednio zorganizować. Skoro bierzesz energię z jednego miejsca i przenosisz ją w inne - takie, w które zwykle ona nie trafia - to znaczy, że się organizujesz" - wyjaśnia Ziock.

Współczesne komórki wykonują to zadanie wykorzystując ogromną molekularną maszynerię. Tak naprawdę niektóre syntezy chemiczne, dokonywane przez najprostsze rośliny czy algi, są wciąż poza możliwościami człowieka i jego najnowszych technologii. Nawet najbardziej prymitywne formy życia posiadają specjalne proteinowe mechanizmy, które pozwalają im na pobieranie substancji odżywczych przez membranę komórkową czy odprowadzanie zbędnych substancji.

Powstanie takich wyspecjalizowanych komponentów wymagało wielopokoleniowej ewolucji - zwraca uwagę Ziock. Dlatego też można przyjąć, że pierwsze organizmy żywe były zdecydowanie prostsze. Na czym dokładnie polegała ta prostota? Ożywiona dyskusja na ten temat trwa od wielu lat - właściwie od samego początku prac nad narodzinami życia, których pionierem był David Deamer, emerytowany profesor z UC-Santa Cruz.

Większość badaczy zgadza się co do tego, że pierwszy żywy organizm musiał posiadać trzy podstawowe cechy: metodę pobierania energii, nośnik informacji (np. RNA lub inny kwas nukleinowy) oraz odpowiedni pojemnik.

Wcześniejsze prace Szostaka sugerują, że ów prymitywny pojemnik miał najprawdopodobniej postać warstwy kwasów tłuszczowych, które łączyły się na zasadzie reakcji na kontakt z wodą (dokładnie widać to w materiale wideo).

Takie membrany - z odpowiednim zestawem substancji chemicznych - pozwalają na wnikanie do wewnątrz kwasu nukleinowego i zatrzymują go w środku. A to znaczy, że być może kiedyś dawno molekuła RNA (lub podobna) wniknęła do kwasu tłuszczowego i zaczęła się replikować. Takie przypadkowe zdarzenie - po którym nastąpiły miliardy zmian ewolucyjnych - mogło stworzyć życie takim, jakie znamy je dziś.

W artykule opublikowanym w tym miesiącu w "Proceedings of the National Academy of Sciences" Mansy i Szostak udowadniają, że owe specjalne membrany (a właściwie bąbelki tłuszczowe) zachowują się stabilnie w różnych temperaturach i że mogą one manipulować molekułami takimi jak DNA poprzez odpowiednie zmiany temperatury - podobnie, jak robią to naukowcy w urządzenia PCR.

Jednak wszystkie te badania prowokują przede wszystkim do postawienie pytania: skąd wzięło się DNA (lub jakikolwiek inny materiał zawierający informacje genetyczne niezbędne do replikacji)?

Wielu badaczy próbowało dowieść, że molekuły podobne do RNA czy DNA mogły powstać z aminokwasów istniejących we wczesnej fazie rozwoju Ziemi. John Sutherland, Chemik z University of Manchester, opublikował rok temu artykuł, w którym przedstawił jeden z możliwych scenariuszy powstania RNA - wynikało z niego, że substancja ta wywodzi się ze świata prebiotyków.

Badania Szostaka (opisane niedawno w "Nature") pokazują z kolei, że gdy taka substancja już istnieje, to kwas nukleinowy teoretycznie może samoczynnie replikować się w protokomórce.

Mimo iż wielu naukowców przyznaje, że wyniki prac nad protokomórkami są imponujące, to jednak nie wszyscy są przekonani, że badania te przyczyniają się do wyjaśnienia początków życia. "Wyniki ich prac są wspaniałe - ale nie jestem przekonany, czy na pewno są one znaczące dla badań nad początkami życia" - mówi Mike Russell, a geochemik z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie. Zdaniem Russela, pierwsze molekuły spełniające kryteria życia składały się ze związków nieorganicznych - twierdzi on, że budulcem pierwszych membran komórkowych był raczej siarczek żelaza niż kwasy tłuszczowe.

Chemik Jeffrey Bada zwraca jednak uwagę na fakt, iż jest mało prawdopodobne, byśmy kiedykolwiek zdołali dowiedzieć się, jak zaczęło się życie.

Badania Szostaka są niezwykle ciekawe - ale wcale nie jest pewne, że to odbyło się właśnie w ten sposób - mówi Bada.

Jack Szostak przyznaje, że mogło być inaczej - ale zastrzega, że teoria jest zespołu jest bardzo prawdopodobna. "Jesteśmy przekonani, że wzrost i podział komórek mógł nastąpić w zupełnie prawdopodobnych warunkach prebiotycznych - w sposób zupełnie naturalny, a nie tylko w sztucznym laboratoryjny środowisku" - mówi naukowiec.

Najbardziej intrygujące jest to, że jeśli protokomórki z laboratorium Szostaka nie odpowiadają tym, które pojawiły się na początku ziemskiego życia, to może to oznaczać, że my - ludzie, czyli produkt ewolucji - sami stworzyliśmy alternatywną metodę obdarzenia martwej materii życiem.

"W biologii mamy po prostu jedną z wielu, wielu możliwości. Jedną z rzeczy, która zawsze pojawia się, gdy wszyscy mówią o powstaniu życia, jest woda. Ale czy woda naprawdę jest niezbędne? A może da się zaprojektować system, który będzie działał w innym środowisku?" - podsumowuje Jack Szostak.

Alexis Madrigal, Wired News