DNA indeholder genetisk kode, men hvad læser det? 'Gene Machine' Forfatter forklarer

Kernen som DNA er for os selv, er den berømte dobbelte helix kerne for studiet af biologi over hele verden. Men disse grundlæggende molekyler kan ikke fungere alene. DNA lagrer kildekoden og dataene til opbygning af vores krop, og dens opdagelse åbnet døren for utallige nye forskningsbriller, herunder spørgsmålet "Hvilken maskine læser vores kode?"

Nobelprisvindende biolog Venki Ramakrishnan unravels rejsen for at forfølge svaret i Gen Machine: Race for at dechiffrere Ribosoms Secrets. Han lægger sin ambitiøse rejse ud af usikkerhed og forklarer ikke kun videnskaben med klar klarhed, men giver også perspektiv på den komplekse politik omkring udøvelse af viden med ydmyghed.

Nedenfor er et uddrag fra Gene Machine, udgivet denne uge af Basic Books.

Emerging fra den primordiale tåge

Hvordan livet begyndte er en af ​​de store resterende mysterier i biologi. Alt liv kræver en form for energi i det rigtige kemiske miljø. Nogle mennesker har påpeget, at meget af den kemi, som livet bruger, ligner den slags kemi, der forekommer ved kanterne af geotermiske ventilationskanaler i havet. Selv om det kun er en tilfældighed, som andre har fremført, er det nyttigt at tænke over, hvilke forhold der gjorde det muligt for livet at komme frem. Men fundamentalt er livet mere end et sæt kemiske reaktioner; Det er evnen til at gemme og reproducere genetiske oplysninger på en måde, der gør det muligt for komplekse livsformer at udvikle sig fra meget primitive. Med dette kriterium er der ingen tvivl om, at selv vira lever, selv om folk plejede at stille spørgsmålstegn ved det, fordi de har brug for en værtscelle til at reproducere. Men enhver, der er blevet syg af en virus og oplevet, at hans eller hendes krop kæmper for en infektion, ville ikke tvivle på, at vira er i live.

Problemet var, at DNA i næsten alle former for liv bærede genetisk information, men DNA selv var inert og lavet af et stort antal protein enzymer, hvilket krævede ikke kun RNA, men også ribosomet for at få disse enzymer. Desuden blev sukkeret i DNA, deoxyribose, fremstillet af ribose med et stort kompliceret protein. Ingen kunne forstå, hvordan hele systemet kunne have startet. Forskere, der tænkte på hvordan livet begyndte, som Crick, Leslie Orgel ved Salk Institute i La Jolla og Carl Woese ved University of Illinois, foreslog, at livet måske begyndte med RNA. På det tidspunkt var det rent spekulation - næsten science fiction - fordi RNA ikke var kendt for at kunne udføre kemiske reaktioner.

Cechs og Altmans opdagelse ændrede alt det. RNA var nu et molekyle, som kunne bære information som en sekvens af baser, ligesom DNA, og kunne også udføre kemiske reaktioner som proteiner. Vi ved nu, at byggestenene af RNA kan laves af simple kemikalier, der kunne have eksisteret i jorden for milliarder af år siden. Så det er muligt at forestille sig, hvordan livet kan have startet med mange tilfældigt fremstillede RNA-molekyler, indtil nogle af dem kun kunne reproducere sig selv. Når dette skete, kunne evolution og naturlig udvælgelse muliggøre mere og mere komplicerede molekyler, til sidst endda noget så kompliceret som en primordial ribosom. Ideen om en primordial RNA-verden, et begreb, der først blev dannet af Wally Gilbert, blev almindeligt accepteret.

Ribosomet kan være startet i en RNA-domineret verden, men fordi det lavede proteiner, blev det en trojansk hest. Proteiner viste sig at være meget bedre til at gøre de fleste slags reaktioner end RNA, fordi deres aminosyrer er i stand til mere varieret kemi end det enklere RNA-molekyle. Dette betød, at der som proteiner blev lavet, udviklede de sig gradvist til at overtage de fleste af RNA-molekylernes funktioner på det tidspunkt og meget mere. På den måde forvandlede de livet som vi kender det. Dette kan også forklare, hvorfor selvom ribosomet har en masse RNA, er enzymerne, der replikerer DNA eller kopieres det til RNA, nu udelukkende fremstillet af proteiner. Dette skyldes sandsynligvis, at brugen af ​​DNA til at lagre gener kom senere; på det tidspunkt var proteiner blevet fremherskende og udførte de fleste reaktioner i cellen.

Selvfølgelig forklarer dette ikke, hvordan gener, der bærer en kode for at få proteiner, blev til. Det bedste gæt er, at en tidlig form for ribosomer kun lavede korte strekker af tilfældige peptider, hvilket hjalp med at forbedre RNA-enzymerne, der var omkring da. Men derfra, hvordan gener opstod, der fulgte instruktioner for at få proteiner, der havde aminosyrer, som var strækket sammen i en meget specifik rækkefølge, var et skridt og er stadig et af livets store mysterier. Og det ville på sin side betyde, at ud over den store underenhed skulle mange andre elementer være til stede: mRNA til at bære den genetiske kode, tRNA'er til at bringe i aminosyrer og den lille underenhed til at tilvejebringe en platform for mRNA og tRNA'er at binde. Men før opdagelsen af ​​RNA-katalyse kunne folk ikke se, hvordan systemet kunne have startet selv i princippet.

Uddrag fra Gene Machine: Raset for at dechiffrere Ribosoms Secrets af Venki Ramakrishnan. Copyright © 2018. Udgivet af Basic Books