Samoreplikujący się układ

    Czy możliwe jest stworzenie własnej kopii? Czy ktoś/coś może zbudować siebie od nowa? Jakie zadania musiałby spełnić taki układ? Zbieranie surowców, samodzielna budowa kopii we właściwym czasie? Czyż to o czym piszę nie jest nieodłączną częścią życia, wręcz jego esencją. Zdolność do replikacji jest niezbędna do istnienia życia. Cokolwiek powiemy o życiu jego głównym zadaniem jest trwać.

 

   Komórki bakteryjne pobierają składniki odżywcze i budulcowe, po to by móc się podzielić, wytworzyć swoją kopię. Komórki roślinne robią to samo. Nawet komórki człowieka odżywiają się i dzielą się. Czy potrafią to systemy uważane za nieożywione? Czy wirus jako kompleks makromolekuł jest układem samoreplikującym się? Nosi on co prawda instrukcję budowy zakodowaną jako RNA lub DNA i zazwyczaj kilka potrzebnych narzędzi, ale samodzielny wirus mając do dyspozycji aminokwasy i nukleotydy swojej kopii nie zbuduje. Zatem czy istnieje coś jeszcze posiadające cechę zdolności do samoreplikacji? Czy istnieje komputer sterujący robotem, który byłby zdolny zbudować komputer i robota, które mogłyby powtórzyć ten proces? Wydaje mi się, że jeszcze nie.

 

    Jest to jednak możliwe na poziomie molekularnym, na poziomie reakcji chemicznej w probówce. W najnowszym wydaniu Science (27.02.09) T. Lincoln i G. Joyce opisują taki właśnie układ. Jest to enzym RNA (rybozym)  katalizujący zależne od matrycy RNA łączenie dwóch oligonukleotydów RNA. Nowopowstały produkt zbudowany wyłącznie z RNA posiada właściwości katalityczne tworzenia poprzez podobną reakcję kopii pierwszego rybozymu. Czyli w krzyżowej reakcji jeden enzym katalizuje powstanie drugiego. Cała synteza wykorzystuje cztery oligonukleotydy RNA bez jakiegokolwiek udziału enzymów białkowych czy innego materiału biologicznego. Przyrost ilości kopii ma charakter wykładniczy przy czasie podwajania około jednej godziny.  Praktycznie reakcję można utrzymywać w nieskończoność poprzez przeniesienie odrobiny mieszaniny produktów do mieszaniny zawierającej cztery substraty. Reakcje będzie przebiegać aż do ich wyczerpania.

 

    Ten rybozym to ligaza RNA (enzym łączący), która wiąże na zasadzie komplementarności dwa substraty, a następnie katalizuje nukleofilowy atak grupy 3’-OH jednego substratu na 5’-trifosforan drugiego. W rezultacie powstaje typowe wiązanie fosfodiestrowe i nowy enzym.

   W tym przypadku rysunek jest wart 1000 słów. Enzym E’ (czerwony) katalizuje łączenie substratów A i B (niebieskie) tworząc enzym E. Tymczasem enzym E katalizuje ligację substratów A’ i B’.

 

   Oba enzymy E i E’ to nici RNA składające się z odpowiednio 67 i 75 nukleotydów, które potrafią tworzyć 5 dupleksów między sobą. Dzięki temu substraty trzymane są we właściwych miejscach zanim dojdzie do ich połączenia. Dodatkowo każdy enzym posiada jeszcze pętlę typu hairpin – to ta pętelka na rysunku. Te dziwne enzymy są wynikiem przeprowadzonej in vitro ewolucji pierwotnej ligazy RNA o dużo niższej sprawności. Badacze poprzez losowe podmienianie nukleotydów tworzyli inne wersje enzymu/enzymów i wybierali najsprawniejsze katalitycznie do kolejnej rundy. Okazuje się, że mutacje zachowujące aktywność katalityczną dozwolone są w określonych regionach. Inne sprawiają, że enzym traci aktywność.

 

   To co osiągnęli Lincoln i Joyce to prawdopodobnie reakcja, która nie miała miejsca na Ziemi od początków chemii organicznej. Choć opiera się na substancjach produkowanych przez organizmy jest jeszcze starsza niż życie jako takie, bowiem zanim ono zaistniało istniał tzw. Świat RNA. Uważa się bowiem, że pierwsze złożone układy chemiczne, które w przyszłości uformowały pierwotne życie to właśnie aktywne katalitycznie cząsteczki RNA – kwasu rybonukleinowego.

 

   Ale to już zupełnie inna historia…