A mesterséges protocellák az enzimek nélkül szintetizálják a DNS-t • alexander jelek • tudományos hírek
Hipotetikus proto protolette, amely a kész szerves anyagokat táplálja. A proto membrán membránja megfelelő molekulák beépítésével nő a külső táptalajból. A protocellát egyszerűen "félbe burkolva" osztják fel belső vagy külső fizikai erők hatása alatt. A fő "élelmiszer" az aktivált nukleotidok. Átszivárognak a membránon, és nukleinsavmolekulák spontán (nem-enzimatikus) sokszorozására használják (RNS, DNS vagy korai módosításaik egy része). Ábra. a Természet cikkéből
Az amerikai biológusok fontos lépést tettek az élet születési szakaszainak megértése felé. Sikerült létrehozni egy "protocellust" egy egyszerű lipidek és zsírsavak héjával, amely képes a DNS-szintézishez szükséges környezetből aktivált nukleotidokból - "téglákból" rajzolni. A protocellák nem képesek függetlenül elvégezni a DNS mátrix szintézisét (replikációját) a kezdetektől a végéig, de sikeresen kezelik a folyamat legfontosabb szakaszait, és minden reakciót bármely fehérje vagy más komplex biológiai katalizátor molekula részvétele nélkül folytatnak.
Más szakértők szerint sokkal valószínűbb, hogy az első élőlények voltak autotróf, hogy nem szükséges a végső szerves és szintetizált saját szén-dioxid és más, egyszerű anyagok, energia felhasználásával redox reakciók (chemoautotrophs) vagy világos (photoautotrophs). Azonban, az ötlet az elsőbbségét photoautotrophs megkérdőjelezhető, mivel az összehasonlító genomika adatok erősen azt sugallják, egy későbbi megjelenése a fotoszintézis képest bizonyos típusú Chemoautotrophic anyagcserét, mint például a metántermelő és anaerob metán oxidációt.
A molekuláris adatok azonban még nem adnak egyértelmű választ arra a kérdésre, hogy ki megjelent - a heterotrófokat vagy a kemoautotrófokat. A heterotróphák elsőbbségének kedvéért mindenekelőtt a nyilvánvaló tény az, hogy az anyagcsere egésze egyszerűbb. Ahhoz, hogy a kész szerves anyagokat saját sejtjeinek építésére használhassák, minden élő szervezetnek képesnek kell lennie, de az autotropháknak ezt a szervesanyagot is egyszerű molekulákból kell szintetizálniuk. Logikus feltételezni, hogy a szén-dioxid megkötésére és a szerves anyagok szintézisére való képesség később a "heterogén" heterotróf metabolizmus feletti "felépítésként" fejlődött ki.
Ugyanakkor komoly érvek szólnak a heterotróphák elsőbbségének eszméjével szemben. Ezek közül az egyik, hogy mivel minden élőlény reprodukálni exponenciálisan, a legelső megjelent a bolygó heterotróf élőlények megette volna a ősleves, bármennyire is lehet, egy jelentéktelen időszak geológiai értelemben. Egyszerűen nem volt ideje elindulni az evolúciós fejlődés minden útján, amely a heterotróf organizmus autotrofikus átalakulásához szükséges. Ez azzal érvelhet, hogy a "húslevet" fokozatosan táplálják szerves anyagok, például a geokémiai folyamatok során a bolygó belsejében.
Egy másik érvet nehezebb elvenni. A modern sejtek membránjai (héjak) foszfolipidekből állnak. és ezek a membránok gyakorlatilag áthatolhatatlanok a poláris és töltött molekulákhoz, beleértve a komplex szerves vegyületeket, például a cukrokat vagy nukleotidokat. Ezeknek a molekuláknak a membránon való átvitelére a modern sejtek egy sor speciális transzportfehérjét tartalmaznak. Az élet hajnalán az ilyen fehérjék természetesen nem lennének. Következésképpen a protocell egyszerűen nem tudott komplex szerves anyagokat kapni a külső környezetből. Meg kellett elégednie azokkal az egyszerű szervetlen molekulákkal, amelyek segíteni tudnak a foszfolipid membránon keresztülmenni. Következtetés: az első élő sejtek autotrofok voltak.
A foszfolipidek - a molekulák meglehetősen összetettek. A membrán protoklotokat inkább egyszerűbb amfifil vegyületekből kellett összeállítani, amelyek abiogén módon alakíthatók ki.
A poláris vagy gyengén töltött molekulák átjutási sémája kétrétegű lipid membránon keresztül. A molekula először tapad a lipidek hidrofil "fejekhez" (piros színnel kiemelve). Ez a lipidmolekulák orientációjának megváltozásához vezet. Bizonyos körülmények között a lipidek "fejjel" átvezethetik a membrán másik oldalát, és a mögöttük levő molekulát húzzák. Ábra. a további anyagoktól a természetben tárgyalt cikkig
Azonban itt találtunk megoldást. Nukleotidok aktiválni lehet bármely más módon -, hogy csatlakozzanak hozzájuk a három helyett foszfátok egy foszfátot molekula imidazol (imidazol - egyszerű szerves vegyületek, széles körben elterjedt a természetben, és egy gyűrű három szénatomot és két nitrogénatommal; imidazol szerves része az egyik 20 " kanonikus "aminosavak - hisztidin). Az imidazollal aktivált nukleotidok alkalmasak a DNS és az RNS szintézisére, de csak egy negatív töltetük van, és nem négy, mint például a nukleotid-trifoszfátok. Az ilyen nukleotidokat korábban már alkalmazták a nukleinsavak szintézisének kísérleteiben enzimek bevonása nélkül.
Eddig a vegyészek már némi előrelépést tettek a nukleinsavak nem-enzimatikus replikációjának tanulmányozásában. Azonban a teljes replikációs ciklus befejezéséhez szükséges feltételeket a fehérjék nélkül még nem találtuk. Két fő megoldatlan probléma maradt. Először is, amíg nem találunk olyan körülményeket, amelyekben bármilyen DNS- vagy RNS-molekula mátrix szintézise folytatódna, függetlenül a mátrixban levő nukleotidok szekvenciájától. Néhány szekvencia reprodukálható, mások nem. Másodszor, a spontán replikáció kezdetéhez szükség van egy "primerre" - a primerre. Ez azt jelenti, hogy ha egy egyszerű, egyszálú DNS- vagy RNS-molekulát veszünk, akkor egy ilyen mátrixon enzimek nélkül, a replikáció nem kezdődik meg. Az enzimek használatával mindenképpen el kell kezdeni. De ha a második (komplementer) lánc nukleotidjainak egy része már létezik, a replikációs folyamat bizonyos körülmények között továbbra is enzimek nélkül folytatódhat. És ez már sokat.
Ezek a vezikulumok vannak töltve - modellezése protocell - környezetbe helyezzük optimális enzimatikus szintézisére DNS (pH 8,5, hőmérséklet 4 ° C-on, valamint két további egyszerű szerves vegyületek elméletileg összeegyeztethető a koncepció elsődleges húsleves). Ezt követően a protocellák "élelmiszer" aktivált nukleotidokat kaptak. A "takarmány" hivatalos neve: 2'-amino-2 ', 3'-didezoxi-guanozin-5'-foszforimidazol. Időről időre a protocellák egy részét eltávolították az oldatból, hogy láthassák a replikáció folyamatát.
Jól ment, bár lassan. Végül az összes protocellák elvégezték a feladatot, vagyis befejezték a szubreplikált DNS-molekulák replikációját a 15 citidin (C) komplementer guanozin (D) mindegyikéhez. Ezzel 24 órát, 96 percet nukleotidra vittünk. Valódi élő sejtekben a DNS-replikáció tízmilliószor gyorsabb, de vannak szuperhatékony katalizátorok - enzimek.
Az eredmények azt mutatják, hogy az első élő sejtek továbbra is heterotrófok. És azt is mutatják, hogy a közeljövőben a tudósok nyilvánvalóan képesek lesznek reprodukálni a laboratóriumban az élet eredetének minden lényeges szakaszát az élettelen anyagból.