DNA inneholder genetisk kode, men hva leser det? 'Gene Machine' Forfatter forklarer

Kjernen som DNA er for oss selv, er den berømte dobbelthjelpen kjerne for studiet av biologi over hele verden. Men disse grunnleggende molekylene kan ikke fungere alene. DNA lagrer kildekoden og dataene for å bygge kroppene våre, og dens oppdagelse åpnet døren for utallige nye tråder av forskning, inkludert spørsmålet "Hvilken maskin leser vår kode?"

Nobelprisvinnende biolog Venki Ramakrishnan unravels reisen for å forfølge svaret i Gene Machine: Raset for å dechifisere Ribosoms hemmeligheter. Han legger ut sin ambisiøse reise i møte med usikkerhet, og forklarer ikke bare vitenskapen med klar klarhet, men gir også perspektiv på den komplekse politikken som omgir jakten på kunnskap med ydmykhet.

Nedenfor er et utdrag fra Gene Machine, publisert denne uken av Basic Books.

Emerging From the Primordial Mist

Hvordan livet begynte er en av de store gjenværende mysteriene i biologi. Alt liv krever noen form for energi i riktig kjemisk miljø. Noen mennesker har påpekt at mye av kjemi som livet bruker, ligner den typen kjemi som skjer ved kantene av geotermiske vents i havet. Selv om dette bare er en tilfeldighet som andre har hevdet, er det nyttig å tenke på hvilke forhold som gjorde det mulig for livet å dukke opp. Men fundamentalt er livet mer enn et sett med kjemiske reaksjoner; Det er evnen til å lagre og reprodusere genetisk informasjon på en måte som gjør at komplekse livsformer kan utvikle seg fra veldig primitive. Ved dette kriteriet er det ingen tvil om at selv virus er i live, selv om folk pleide å stille spørsmål til det fordi de trenger en vertscelle til å reprodusere. Imidlertid vil noen som har blitt syk fra et virus og opplevd at kroppen din bekjemper en infeksjon, ikke ville tvile på at virusene er i live.

Problemet var at DNA i nesten alle livsformer bære genetisk informasjon, men DNA selv var inert og laget av et stort antall protein enzymer, som ikke bare krever RNA, men også ribosomet for å lage disse enzymer. Dessuten ble sukkeret i DNA, deoksyribose, laget av ribose av et stort komplisert protein. Ingen kunne forstå hvordan hele systemet kunne ha startet. Forskere som tenkte på hvordan livet startet, som Crick, Leslie Orgel ved Salk Institute i La Jolla, og Carl Woese ved University of Illinois, foreslo at kanskje livet begynte med RNA. På den tiden var dette rent spekulasjon - nesten sciencefiction - fordi RNA ikke var kjent for å kunne utføre kjemiske reaksjoner.

Cechs og Altmans oppdagelse endret alt dette. RNA var nå et molekyl som kunne bære informasjon som en sekvens av baser, akkurat som DNA, og kunne også utføre kjemiske reaksjoner som proteiner. Vi vet nå at byggeblokkene til RNA kan fremstilles av enkle kjemikalier som kunne ha eksistert i jorden for milliarder av år siden. Så det er mulig å forestille seg hvordan livet kan ha startet med mange tilfeldig gjort RNA-molekyler til noen av dem kunne gjengi seg selv. Når dette skjedde, kunne evolusjon og naturlig utvalg gjøre det mulig å produsere mer og mer kompliserte molekyler, til slutt selv noe så komplisert som en primordial ribosom. Ideen om en primordial RNA-verden, et begrep som først ble laget av Wally Gilbert, ble allment akseptert.

Ribosomet kan ha startet i en RNA-dominert verden, men fordi den produserte proteiner, ble den en trojansk hest. Proteiner viste seg å være mye bedre å gjøre de fleste typer reaksjoner enn RNA fordi deres aminosyrer er i stand til mer variert kjemi enn det enklere RNA-molekylet. Dette betydde at da proteiner ble laget, utviklet de seg gradvis for å overta de fleste funksjonene til RNA-molekylene rundt på tiden og mye mer. På den måten forvandlet de livet som vi kjenner det. Dette kan også forklare hvorfor, selv om ribosomet har mye RNA, er enzymer som replikerer DNA eller kopierer det til RNA, nå gjort helt av proteiner. Dette er sannsynligvis fordi bruken av DNA til å lagre gener kom senere; på den tiden hadde proteiner blitt utbredt og utførte de fleste reaksjonene i cellen.

Selvfølgelig, dette forklarer ikke hvordan gener som bærer en kode for å lage proteiner, ble til. Den beste gjetningen er at en tidlig form av ribosomer bare gjorde korte strekker av tilfeldige peptider, noe som bidro til å forbedre RNA-enzymer som var rundt da. Men derfra, hvor gener oppstod som bragte instruksjoner for å få proteiner som hadde aminosyrer som var sammenstrengt i en bestemt rekkefølge, var ganske sprang og er fortsatt et av livets store mysterier. Og det ville i sin tur bety at i tillegg til den store underenheten måtte mange andre elementer inntreffe: mRNA til å bære den genetiske koden, tRNAene for å bringe inn aminosyrer og den lille underenheten for å gi en plattform for mRNA og tRNAer å binde. Men før oppdagelsen av RNA-katalyse kunne folk ikke se hvordan systemet kunne ha begynt, selv i prinsippet.

Utdrag fra Gene Machine: Raset for å dechifisere hemmelighetene til Ribosome av Venki Ramakrishnan. Copyright © 2018. Utgitt av grunnleggende bøker