Az élőlények megfelelnek a termodinamika törvényeinek, az ügyvédek pedig a társadalom törvényeinek

oldalakat

2012. november 8., csütörtök

Élet = Táplálkozás + Kapcsolat + Szaporodás + Evolúció +. Együttműködés

kapcsolatának

Gyermekként gyakran azt tanítják nekünk, hogy az élet alapvető funkciói a táplálkozás, a kapcsolat és a szaporodás. Később megtudhatjuk, hogy az evolúciót is hozzá kell adni. Nos, van egy új kifejezés az egyenletben: együttműködés.

Amikor biológiai kontextusban folytatott együttműködésről beszélnek velünk, azonnal a szimbiózisra gondolunk, mint például a remete rák és az kökörcsin, vagy ami a gombák és algák között keletkezik a zuzmókban. Kooperatív értelemben is gondolkodhatunk, amikor az egysejtűtől a többsejtű organizmusokig terjedő evolúcióról beszélünk. Ez utóbbiaknak számos adaptív előnyük van, például a feladatok megosztása: emésztőrendszer, idegsejtek, izom, ivarsejtek stb. Eszünkbe juthat az együttműködés és a feladatok megosztása intracelluláris szinten is. Így a DNS genetikai információt hordoz, a fehérjék azok, amelyek katalitikus reakciókat hajtanak végre, a lipidek pedig membránokat alkotnak. Nyilvánvaló, hogy az együttműködés lehetővé teszi a komplexitás fejlesztését.

Nyilvánvaló, hogy egy élőlény olyan dolgok sorozatát "csinálja", amelyek megkülönböztetik az élettelen anyagtól. Tehát logikus feltételezni, hogy az első élőlény, amely néhány milliárd évvel ezelőtt megjelent ezen a bolygón, ugyanazt tette, mint a jelenlegi. Nos, úgy tűnik, hogy ez az "együttműködés" képességét is belső tulajdonságként mutatta be.

Az egyik jelenlegi hipotézis, amely megpróbálja megmagyarázni, hogyan keletkezhetett az élet ezen a bolygón, az "RNS-világ" néven ismert. Az RNS molekula egyszerre két létfontosságú funkcióra képes: genetikai információkat tárolhat és katalitikus funkciókat képes ellátni, mint például a ribozimek. A bolygó történetében egy olyan időszakban voltak olyan RNS-molekulák, amelyek képesek önreplikálódni, és amelyek mutáltak, és nagyobb önreplikációs hatékonyságú formákká fejlődtek. Az idő múlásával a DNS-hez átadott genetikai információk őrzője és a fehérjék katalitikus funkciói. Az RNS egyfajta Charonként maradt, amely összekapcsolta a két világot (vagy "fénymásoló fiú", ha prózaibb módon akarjuk kifejezni).

Nyilvánvaló, hogy még mindig sok hiányosság van ennek a hipotézisnek a pótlására. Kezdi megérteni, hogy milyen prebiotikus kémia lehetett az, amely nukleotidokat, az RNS monomerjeit eredményezte, és ezek miként alkothattak kis polimereket. Kísérleti szinten a replikációs folyamatban a leghatékonyabb RNS kiválasztását igazolták Manfred Eigen és csoportja által a Q b fággal végzett kísérleteknek köszönhetően. Csak néhány, különböző szekvenciákkal, fágreplikázzal és nukleotiddal rendelkező RNS-molekulát tettek egy csőbe. A replikációs körülmények szerint néha a leghatékonyabb szekvencia volt az egyik, máskor pedig egy másik. Tökéletes példa volt a biokémiai természetes szelekcióra egy kémcsőben. A kis vírusos RNS igazi "önző génként" viselkedett.

Eigen kísérleteiben az RNS nem replikálódik önmagában, fehérje jellegű enzimre van szüksége. És itt egyelőre megoldatlan kérdés jelenik meg. Az önreplikációra képes ribozimaktivitású RNS-hez hosszú és összetett molekula szükséges, sokkal több, mint ami a prebiotikus kémia jelenlegi ismereteivel lehetségesnek tűnik. Van egy másik probléma is: az önmagát replikáló RNS-nek elég alacsony mutációs rátával kell rendelkeznie ahhoz, hogy ne veszítse el a hordozott információt, és ugyanakkor versenyezzen az erőforrásokért más "parazita" RNS-ek ellen, amelyek kihasználhatják képességeit.

Úgy tűnik, hogy a Nature egyik közelmúltban megjelent munkája választ talált a problémára. A javasolt forgatókönyv szerint az önreplikáló RNS-ek nemcsak önmagukról másolatokat készítenek (molekuláris önzés), hanem képesek más hiperciklust létrehozó "replikáló RNS-ekre" is hatni. Ez a fizikai tulajdonság spontán keletkezik, erre nincs szükség a molekulák tervezésére. Az alkalmazott kísérleti rendszer a baktérium ribozimja volt Azoarcus, amely széttöredezetten képes az összerakásra. Ez a ribozim úgy mutálható, hogy létezhetnek olyan "önző" változatok, amelyek csak a saját töredékeit állítják össze, és nem egy másik változatot. Vagy az említett ribozim fragmenseinek különböző változatai is megjelenhetnek, amelyek együttműködhetnek más változatokon. Vagyis az 1-es ribozim segíti a 2-es ribozim összeállítását, amely a 3-as ribozim összeállítására hat, ez pedig segíti az 1-es ribozim összeállítását.

Azt találták, hogy ha létrejön egy ilyen kooperatív hiperciklus, akkor a részükbe tartozó RNS-ek teljesen kiszoríthatják azokat az RNS-eket, amelyek csak önzően gyűlnek össze. Vagyis a kis RNS-fragmensek közötti molekuláris együttműködés elősegítheti a hosszabb és összetettebb RNS-ek megjelenését. Ez pedig egy fizikai tulajdonság, amely az ilyen típusú önszerveződő rendszerekben rejlik. Mint mindig a Science-ben, a jó válasz rengeteg új kérdést vet fel. Például hogyan fejlődnek ezek a szövetkezeti hálózatok az idő múlásával? A hiperciklus bonyolultsága növekszik a mutatott hatékonysággal, vagy leegyszerűsödik? Hogyan léptek kölcsönhatásba ezek a prebiotikus RNS-ek a környezetükben lévő más molekulákkal? Hogyan versenyeztek más RNS-ekkel? és nyilvánvalóan hogyan jött létre az RNS-ek első hiperciklusa?

És miért kell lennie egy vagy több hiperciklusnak, hogy jobban működjön? Kétféle hiperkerék állítható be. Például az 1 ribozim segít összeállítani a 2 ribozimot, amely viszont segíti az 1 ribozim összeállítását. Egy ilyen egyszerű hiperciklus is stabil. És ha hagyjuk az evolúciót cselekedni, azt találjuk, hogy a rekombináció szerepet játszik, és olyan molekulák jelenhetnek meg, amelyek hatékonyabban replikálódnak, mint az eredetiek. A két komponens problémája az, hogy van korlátozás, mivel az önreplikáció és a ribozim tulajdonságait soha nem lehet figyelmen kívül hagyni, így a rendszer meglehetősen érzékeny a mutációk hatására, amelyek lebontják a genetikai információkat, és amelyek nem teszik lehetővé a két funkció egyikét . A három vagy több komponensből álló hiperciklus lehetővé teszi, hogy nagyobb számú kombináció legyen, és ezért több szabadságfok és kevesebb kockázat álljon fenn, hogy a mutáció elveszítheti a két tulajdonság egyikét. Nem csak, hogy több játékos van, lehetővé teszi akár új tulajdonságok megjelenését is. Ez a házi feladatok terjesztése molekuláris szinten.

A szerzők azt javasolják, hogy ezen kooperatív hálózatok létrehozása lehetővé tenné a kis RNS-ek szintézisét a ribozim hatásának köszönhetően, és ezek a kis RNS-ek lehetővé tehetnék az említett ribozim replikációját. Az ilyen típusú rendszer előnye, hogy nem igényel kovalens kötéseket a nagy makromolekuláris struktúrák kialakításához.

Ez a bejegyzés részt vesz a XXXVI Fizikai Karneválon, amely házigazdája Zéró gravitáció, a XIX. kémiai karneválon, amely otthont ad Olvassa el magyarázatomat ben rendezett XVIII. biológiai karneválon Kíváncsi Amőba

Attwater J és Holliger P (2012). Az élet eredete: A kooperatív gén. Nature, 491 (7422), 48-9 PMID: 23075847

Vaidya N, Manapat ML, Chen IA, Xulvi-Brunet R, Hayden EJ és Lehman N (2012). Spontán hálózatképződés a kooperatív RNS replikátorok között. Nature, 491 (7422), 72-7 PMID: 23075853