Създаване на живот в лабораторията

Във всички случаи слънчевият ултравиолет, който доставя по-голямата част от енергията, играе по-важна роля от другите източници. Обикновено се смята (въпреки че няма единодушие по този въпрос), че при архейците потокът от ултравиолетово лъчение близо до повърхността на Земята преди натрупването на O2 в атмосферата вероятно е бил основният източник на енергия както за пребиотичния органичен синтез, така и за такива ранни биологични процеси като индукция и трансдукция на лизис, използвайки бактериофаги. Бяха направени оценки на степента, до която беше повишена защитата на земната повърхност от слънчева ултравиолетова радиация от кислород и озон. Въпросът кога ултравиолетовият прозорец се затваря за дължини на вълните по-малко от 310 nm, предизвика много противоречия. Вероятно някъде в Архея ултравиолетовата радиация е престанала да бъде едновременно заплаха за живота и източник на енергия за него.

В лабораторни експерименти върху абиогенезата се получават биологично важни органични вещества главно при слабо алкални и напълно анаеробни условия. В кисела среда се образуват пиперазини и други съединения, които обикновено не се срещат в живите организми; в присъствието на кислород органичните съединения изобщо не се образуват. Съдържанието на водород в реакционната смес също влияе върху добива на органични вещества: увеличаването на количеството Н2 води до намаляване на общия добив на аминокиселини, въпреки че техният качествен състав не се променя. Най-вероятният изходен материал за синтеза на някои аминокиселини и нуклеотиди е циановодородът. Проблемът с образуването на органични компоненти с ниско молекулно тегло изглежда е горе-долу решен, но как е възникнала агрегацията на органичните вещества? Как мономеризираха мономерите? Как информацията се прехвърля към нови органични инертни материали и как се създава надежден механизъм за наследственост? Разстоянието, разделящо най-сложната смес от органични вещества от най-простата клетка, все още предстои да бъде преодоляно както на теория, така и в лабораторията.

Има съобщения, че при предполагаемите условия на ранната Земя е настъпила полимеризация на аминокиселинни остатъци с образуването както на пептидни, така и на непептидни връзки. Формираха се и сложни микроструктури, някои от които, очевидно, с каталитична активност. Въпреки това, абиотичното образуване на каталитично активни полимери на аминокиселини може да не е пряко свързано с произхода на живота, тъй като полипептидите не са склонни да се самовъзпроизвеждат. Освен това, тъй като всички аминокиселини в съвременните протеини са свързани само чрез пептидни връзки, е трудно да се повярва, че други видове връзки някога са били свързани с еволюиращи системи. С изключение на някои малки пептиди като грамицидин и пентапептиди в клетъчните стени на бактериите, аминокиселините се полимеризират в полипептиди върху нуклеопротеиновите рибозоми с участието на транспортни и информационни РНК. Съществуването на първична жива система, която синтезира протеини при липса на репликация на нуклеинова киселина, изглежда малко вероятно; но дори това да е така, тогава катализата може да е била извършена от "ензими" с полинуклеотидна природа. Уайт предполага, че ранните живи системи използват полинуклеотидни фрагменти, които имат някои каталитични свойства за полимеризацията на нуклеинови киселини. Това може да обясни факта, че много ензими (52% от 1750, изброени в каталога) са активни само в присъствието на коензими и повечето от тези коензими са нуклеотиди или ясно свързани вещества. Поради това изглежда вероятно най-ранните репликационни системи да са били изцяло или до голяма степен базирани на полинуклеотиди - толкова несъвършени и кратки, колкото може да са били най-ранните нуклеинови киселини. Нуклеотидите са склонни да образуват полимери с комплементарни двойки основи, не само поради геометричното им съответствие, но и защото двойките аденин-тимин и аденин-урацил се образуват по-лесно в неводни разтвори, отколкото двойките аденин-аденин, поради свойствата на електронните конфигурации. Дори много малка точност на репликация на нуклеинови киселини вероятно се дължи на тяхното взаимодействие с аминокиселини, пептиди или каталитични нуклеотиди от самото начало.

Механизмът на спонтанното (за разлика от ензимното) образуване на нуклеотидни полимери от мономери е загадъчен. В резултат на повечето опити за синтезиране на рибонуклеотидни полимери от мономери под контрола на шаблон се получават „неестествени“ 2 ′, 5′-връзки между нуклеотидите. Експериментите на Дейвид Ашър, химик от университета Корнел, доведоха до идеята за цикличен път за синтез на ранните пребиотични олигонуклеотиди, като по този начин се избягва тази трудност. Схемата на Ашер включва: 1) "сух" безматричен синтез на произволни съполимери, имащи както 2 ', 5'-, така и 3', 5'-връзки; 2) преходът на тези олигомери в разтвор при ниски температури; 3) преференциална хидролиза на 2 ', 5'-връзки в образуваните къси спирали. Тази схема, която всъщност се прилага в лабораторни условия, някога е можела да бъде фиксирана чрез селекция като механизъм за създаване на дълги комплементарни полинуклеотиди от "естествен" тип, т.е. съдържаща само 3 ', 5' връзки. Това би означавало необходимостта от редовно ежедневно редуване на условия: сухо и топло (56 ° C), мокро и топло, сухо и студено (5 ° C), мокро и студено, мокро и топло, сухо и топло и др. Степента на които цикличните промени в околната среда могат да повлияят на резултата от пребиотичните реакции е дяволски трудно.

В лабораторията все още не е получена самовъзпроизвеждаща се система (ограничена от мембрана и провеждаща конюгирана полимеризация на нуклеотиди и аминокиселини) от прости предшественици. Въпреки това, биологично активни реплициращи се полинуклеотиди въпреки това са получени в известен смисъл абиотично. S. Spigelman синтезира инфекциозни вируси (съдържащи както ДНК, така и РНК) от много по-прости предшественици. Всичко, от което се нуждаеше, беше пречистен ензим ("репликаза", т.е. РНК-зависима РНК полимераза), матрична нуклеинова киселина, поне един човешки изследовател и много енергия под формата на предшественици нуклеотиди и долари. При подходящи условия са приготвени РНК вируси, които са напълно способни на непрекъсната репликация. Подобни експерименти бяха проведени с ДНК вируси. Това изисква два специфични ензима: ДНК полимераза и лигаза, ензим, който свързва краищата на линейна нуклеинова киселина, за да образува пръстен. По този начин най-малко инфекциозни вируси могат да бъдат произведени в лабораторията. Изследователите просто смесват вещества, които са склонни да си взаимодействат в подходящи концентрации. Ако беше възможно да се намери естествен феномен, в който се натрупва органична материя, и нещо, което да изпълнява функциите както на самия изследовател, така и на ензимите, които той отделя от живите клетки, тогава проблемът с произхода на прости репликативни системи с размерите на вирус ще бъде разрешен, поне поне по принцип. Основният метод за концентрация може да бъде затварянето на протеиново-нуклеинови киселинни системи в липопротеиновите мембрани.

Почти всички мономерни компоненти на жива клетка са получени експериментално при доста обикновени химични условия. При такива експерименти се синтезират различни аминокиселини. Четири от тях се образуват особено лесно (глицин, аланин, аспарагинова и глутаминова киселини), а освен това са изключително богати на протеини. Това вероятно не е случайно. Химически съвсем прости, може да се приеме, че са били „първите“ аминокиселини. Настоящата абсолютна нужда от аденозин трифосфат (АТФ) и други трифосфати, прекурсорите на нуклеотиди (GTP, UTP и CTP), вероятно се дължи в крайна сметка на лекотата, с която те са се образували в пребиотични химични процеси. Някои от енергийните източници, използвани в тези експерименти, ултравиолетовите лъчи и топлината (симулиращи вулкани и горещи извори), вероятно не са били в изобилие от пълзене и архей. Почти със сигурност нямаше други източници, като високоенергийни частици, произведени в ускорители. Въпреки това, точното изясняване на енергийните източници, очевидно, не е решаващо, ако вземем предвид броя и разнообразието от експерименти, при които е получен доста голям добив на органични съединения, които днес играят важна роля в клетъчния метаболизъм.

Тъй като вещества като порфирини и изопреноиди не са необходими за репликация, техният пребиотичен синтез, подобно на свързването на аминокиселинни остатъци чрез непептидни връзки, вероятно не е играл съществена роля. Възможно е много органични вещества, които не се намират във всички живи клетки и не са необходими за тяхното размножаване, първо да са възникнали абиотично и след това да са били използвани като храна или задържани от микробите, тъй като те са им дали някакво селективно предимство. Тези незадължителни вещества се превърнаха във вторични метаболити, а първичните бяха съединенията, необходими за самовъзпроизвеждане, производни на аминокиселини и компоненти на нуклеиновата киселина. Независимо от това дали изследователят може да идентифицира тези вещества, образувани в абиотичните си експерименти, бактериите ги притежават. Дори най-сложните полимери, посочени в подобни експерименти, ще бъдат използвани като храна и изядени, ако не са защитени от въздушни бактерии и гъбички. В тази връзка експериментите за химическо отделяне трябва да се извършват при стерилни условия.

Въпреки че все още няма подробен отговор на въпроса как първите бактерии произхождат от агрегатите на органични молекули, постепенно нещо се изяснява.

Източник: Л. Маргелис. Ролята на симбиозата в клетъчната еволюция. Per. V.B. Касинова, Е.В. Кунин. Изд. Б.М. Медникова. Издателство „Мир“. Москва. 1963 г.