אבולוציה בבקבוק: החיים הסינתטיים משמיצים קרוב יותר למציאות

2023 מְחַבֵּר: Peter Bradberry | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-05-21 22:33

שכפול עצמי של רנ"א מקדם את המדע צעד נוסף לקראת חיים מלאכותיים.

ג'ראלד פ 'ג'ויס מודה שכשראה את תוצאות הניסוי הוא התפתה להפסיק את העבודה ולפרסם את התוצאות באופן מיידי. לאחר שנים של ניסיונות, הוא ותלמידתו טרייסי לינקולן סוף סוף מצאו כמה רצפי RNA קצרים אך חזקים, שכאשר הם מעורבבים יחד עם slurry של אבני בניין פשוטות יותר של RNA יוכפלו מספר שוב ושוב, ויתרחבו פי 10 בכמה שעות וממשיכים לשכפל כל עוד יש להם מקום וחומר גלם.

אבל ג'ויס לא הייתה מרוצה לגמרי. פרופסור ודיקן במכון המחקר Scripps בלה ג'ולה, קליפורניה, הכימאי המולקולרי בן ה -53 הוא אחד האלופים המייסדים של השערת "עולם ה- RNA". זה הרעיון שאולי החיים כפי שאנו מכירים חיים על בסיס דנ"א וחלבונים אנזימטיים, כאשר רנ"א פועל ברובו כבלדר של מידע גנטי בלבד התפתח מתוך מערכת כימית פרה-ביוטית פשוטה יותר, המבוססת בעיקר או אפילו על RNA בלבד. כמובן, הרעיון מתקבל על הדעת רק אם ה- RNA יכול לתמוך בעצמו באבולוציה. אולי, חשב ג'ויס, ה- RNA הסינתטי שלו יכול לעזור להוכיח את זה אפשרי. אז הוא ולינקולן בילו שנה נוספת עם המולקולות, עברו מוטציה והקימו תחרויות שרק הכי מתאימים ישרדו.

בינואר, חודש לפני יובל השנה להולדת צ'רלס דרווין, הם הודיעו על התוצאות במדע. מערכת המבחנה הקטנה שלהם אכן גילתה כמעט את כל המאפיינים המהותיים של האבולוציה הדרווינית. 24 גרסאות ה- RNA הראשונות הועתקו, חלקן מהירות יותר מאחרות בהתאם לתנאי הסביבה. כל מין מולקולרי התמודד עם האחרים על המאגר המשותף של אבני הבניין. ותהליך ההעתקה לא היה מושלם, ולכן במהרה הופיעו מוטציות חדשות שג'ויס מכנה אותם רקומביננטים ואף שגשגו.

"נתנו לזה לרוץ 100 שעות", נזכר ג'ויס, "במהלכו ראינו הגברה כוללת במספר מולקולות המשכפל ב -10²³. די מהר סוגים המשכפלים המקוריים גוועו, והרקומביננטים החלו להשתלט על האוכלוסייה. "אף אחד מהרקומביננטים לא יכול היה לעשות משהו חדש כלומר, דבר שאף אחד מאבותיו לא יכול היה לבצע.

מרכיב חסר מכריע זה עדיין מפריד בין האבולוציה המלאכותית לאבולוציה הדרווינית האמיתית. "זה לא חי", מדגיש ג'ויס. "בחיים ניתן להמציא פונקציה חדשה מכל בד. אין לנו את זה. המטרה שלנו היא לעשות חיים במעבדה, אבל כדי להגיע לשם אנחנו צריכים להגביר את מורכבות המערכת כדי שתוכל להתחיל להמציא. פונקציה חדשה, ולא רק למטב את הפונקציה שתכננו לתוכה. ".

נראה כי מטרה זו אפשרית מכיוון שמשכפלי ה- RNA במעבדה של ג'ויס היו פשוטים יחסית: לכל אחד מהם יש רק שני חלקים אמיתיים שיכולים להשתנות. כל אחד מאותם "גנים" הוא אבן בניין קצרה של RNA. משכפל, בהיותו אנזים RNA, יכול לאסוף את שני הגנים ולקשר ביניהם כדי ליצור אנזים שהוא "בן הזוג" של המשכפל. בן הזוג משוחרר ואוסף שני גנים רופפים, אותם הוא מרכיב לשכפול של המשכפל המקורי. רקומביננטים מופיעים כאשר בן זוג בוגד ומקשר בין גנים שמעולם לא נועדו זה לזה. רקומביננטים לא יצרו גנים. יתכן ויהיה אפשרי להנדס מערכת שעושה זאת, או להוסיף מורכבות על ידי מתן כל משכפל יותר גנים איתם לעבוד.

סקוט ק. סילברמן, כימאי מאוניברסיטת אילינוי, שעשה עבודות חלוציות עם אנזימי DNA, מקווה ש"על ידי תפיסת האבולוציה הדרווינית במולקולות חדשות, נוכל להבין טוב יותר את העקרונות הבסיסיים של האבולוציה הביולוגית ", שרובם עדיין מסתורי ברמה המולקולרית. ג'ויס ולינקולן, למשל, הבחינו בבדיקתם שלאחר המוות בניסוי כי שלושת הרקומביננטים המצליחים ביותר יצרו קליקה. בכל פעם שכל חבר קליק עשה שגיאת רבייה, התוצאה הייתה אחת משני העמיתים האחרים.

הצעד הגדול הבא לקראת יצירת חיים במעבדה, אומר ג'ויס, יהיה להנדס (או להתפתח) קבוצה של מולקולות סינתטיות שיכולות לבצע חילוף חומרים כמו גם שכפול. הגנטיקאי ג'ק וו. סוסטאק מבית הספר לרפואה בהרווארד פיתח חלבונים לא ביולוגיים הקושרים ATP, חומר כימי נושא אנרגיה החיוני לחילוף החומרים. המעבדה של סוסטאק מנסה גם לעצב פרוטוקולסים המקיפים RNA בתוך תחומים זעירים של חומצות שומן, הנקראות מיסלים, שיכולים להיווצר, להתמזג ולהשתכפל באופן ספונטני.

גם אם ביוכימאים אכן יצליחו לרצף רנ"א ותרכובות בסיסיות אחרות לצורה כלשהי של חיים סינתטיים, המערכת המהונדסת כנראה תהיה כה מורכבת בהתחלה שהיא כמעט לא תוכיח שהחיים הטבעיים החלו בצורה דומה כלשהי, לפני ארבעה מיליארד שנה. המשכפלים של ג'ויס מורכבים מ- 50 אותיות כימיות בלבד, אך הסיכויים שרצף כזה יופיע במקרה הם בערך אחד מכל 1030, הוא מציין. "אם זה היה באורך שש או אפילו 10 אותיות, הייתי אומר שאנחנו עשויים להיות בתחום הסבירות, שם אפשר לדמיין שהם מתאספים באופן ספונטני" במרק הקדמון.

מחיי מבחנות וכלים לאבחון.

יצירת חיים במעבדה תהיה אירוע מכריע עבור האנושות, גם אם היא יותר מולקולרית מאשר פרנקנשטיין. אך ייתכן שישנם שימושים ארציים יותר לכימיה כזו. מאמר בעיתונות בטבע ביוטכנולוגיה, אומר ג'רלד פ. ג'ויס, מתאר כיצד המעבדה שלו במכון המחקר Scripps בלה ג'ולה, קליפורניה, שינתה משכפלי RNA כך שהם חייבים לבצע פונקציה ביוכימית כדי להתרבות. הזוכים באותו גזע אבולוציוני יהיו מועמדים טובים לאבחון רפואי, הוא חושב. סקוט ק. סילברמן מאוניברסיטת אילינוי אומר כי לרעיון יש טעם: "נניח שאתה צריך לבצע זיהוי בסביבה מלוכלכת עם הרבה כימיקלים שונים, אומרים שאתה רוצה למצוא סלמונלה בתוך חמאת בוטנים. קשה לעשות זאת ללא שלבי טיהור. יהיה שימושי להיות מסוגלים לפתח את מערכת האבחון כך שהיא עדיין תמצא את האות למרות כל הרעש. " W. W. G.