Kaikki elävät solut saavat voimansa houkuttelemalla energisiä elektroneja kalvon toiselta puolelta toiselle. Kalvopohjaiset mekanismit tämän saavuttamiseksi ovat tietyssä mielessä yhtä yleismaailmallisia elämän piirteitä kuin geneettinen koodi. Mutta toisin kuin geneettinen koodi, nämä mekanismit eivät ole samat kaikkialla: Kahdella yksinkertaisimmalla soluryhmällä, bakteereilla ja arkeilla, on kalvot ja proteiinikompleksit energian tuottamiseksi, jotka ovat kemiallisesti ja rakenteellisesti erilaisia. Näiden erojen vuoksi on vaikea arvata, kuinka ensimmäiset solut täyttivät energiatarpeensa.
Tämä mysteeri johti Nick kaista, evoluution biokemian professori University College Londonissa, epätavalliseen hypoteesiin elämän alkuperästä. Entä jos elämä syntyisi geologisessa ympäristössä, jossa sähkökemialliset gradientit pienten esteiden poikki tapahtuivat luonnollisesti, mikä tuki primitiivistä aineenvaihduntamuotoa samalla, kun solut sellaisina kuin me ne tunnemme kehittyivät? Paikka, jossa tämä voisi olla mahdollista, ehdotti itseään: emäksisiä hydrotermisiä aukkoja syvällä merenpohjassa erittäin huokoisten kivimuodostelmien sisällä, jotka ovat melkein kuin mineralisoituneita sieniä.
Lane on tutkinut tätä provokatiivista ideaa erilaisia päiväkirjasta paperit, ja hän on koskettanut sitä joissakin kirjoissaan, kuten Tärkeä kysymys, jossa hän kirjoitti: "Hiili- ja energia-aineenvaihduntaa ohjaavat protonigradientit, täsmälleen mitä tuuletusaukot tarjosivat ilmaiseksi." Hän kuvailee ideaa tarkemmin suurelle yleisölle viimeisimmässä kirjassaan, Transformer: Elämän ja kuoleman syvä kemia. Hänen mukaansa aineenvaihdunta on keskeistä elämässä, ja geneettinen informaatio syntyy siitä luonnollisesti eikä päinvastoin. Lane uskoo, että tämän kääntymisen seuraukset koskettavat melkein kaikkia biologian suuria mysteereitä, mukaan lukien syövän ja ikääntymisen luonne.
Lanen teoria on edelleen vain yksi monien joukossa elämäntutkimusten alkuperän romualueella. Monet, elleivät useimmat tiedemiehet, tukevat teorioita, joilla elämä alkoi itsestään replikoituvat seokset of RNA ja muut molekyylit, ja että se syntyi Maan pinnalla tai sen läheisyydessä auringonvalon ruokkimana. Tutkimukset hydrotermisistä tuuletusaukoista elämän upokkaina ovat kasvaneet viime vuosikymmeninä, mutta jotkut niistä kannattavat tulivuoren aukot makeassa vedessä, ei syviä tuuletusaukkoja merenpohjassa. Vaikka Lanen selitys ei kuitenkaan vastaa kaikkiin kysymyksiin elämän alkamisesta, se käsittelee vaikeita kysymyksiä siitä, kuinka proteiinien ja muiden olennaisten biomolekyylien energiaintensiivinen synteesi olisi voinut tapahtua.
Tutkimus siitä, kuinka energian tarve on vaikuttanut ja rajoittunut elämän evoluutioon, on aina ollut keskeinen teema Lanen uralla sekä tiedemiehenä – hänen ansioksi yli 100 artikkelia vertaisarvioiduissa aikakauslehdissä – että tiedekirjoittajana. Lane sai vuoden 2015 Biochemical Society Award -palkinnon panoksestaan biotieteisiin, ja vuonna 2016 Lontoon Royal Society myönsi hänelle palkintonsa. Michael Faraday -palkinto huippuosaamisesta tieteen tiedottamisessa yleisölle.
Quanta puhui äskettäin Lanen kanssa hänen kotonaan Lontoossa videoneuvottelun kautta. Haastattelu on tiivistetty ja muokattu selvyyden vuoksi.
Kirjasi väittää, että energian ja aineen virtaus rakentelee elämän evoluutiota ja aineenvaihduntaa "loihtii geenejä olemassaoloon." Mikä on pakottavin syy ajatella, että aineenvaihdunta, ei geneettinen tieto, kehittyi ensin?
Puristinen näkemys "tieto ensin" on RNA-maailma, jossa jokin ympäristön prosessi tuottaa nukleotideja, ja nukleotidit käyvät läpi prosessin, joka saa ne liittymään polymeeriketjuiksi. Sitten meillä on RNA-populaatio, ja he keksivät kaiken, koska ne pystyvät sekä katalysoimaan reaktioita että kopioimaan itseään. Mutta kuinka RNA:t keksivät kaiken aineenvaihdunnan, solut, tilarakenteen ja niin edelleen? Geenit eivät itse asiassa tee niin tänäkään päivänä. Solut tulevat soluista, ja geenit kulkevat mukana. Joten miksi geenit tekisivät sen heti alussa?
Ja miten he tekisivät sen? Oletetaan, että biokemiallisessa polussa on 10 vaihetta, eikä yhdestäkään askeleesta sinänsä ole paljon hyötyä. Jokaisen reitin tuotteen pitäisi olla hyödyllinen, jotta se voi kehittyä, mikä ei pidä paikkaansa. Näyttää vain niin vaikealta kehittää edes yhtä polkua.
Mikä on vaihtoehto?
Vaihtoehtona on, että nämä asiat tapahtuvat spontaanisti suotuisissa olosuhteissa ja että saat hyvin pieniä määriä keskinäistä muuntamista yhdestä välituotteesta seuraavaan välituotteeseen koko polkua pitkin. Se ei olisi kovin paljon, eikä se olisi kovin nopea verrattuna entsyymien katalysoimiin reaktioihin, mutta se olisi siellä. Sitten kun geeni syntyy jossain myöhemmässä vaiheessa, se voi katalysoida mitä tahansa näistä vaiheista, mikä yleensä nopeuttaa koko polkua.
Se helpottaa ongelmaa huomattavasti. Mutta se tekee myös tämän pelottavan ennusteen, että kaikkea tämän polun kemiaa on suosittava. Ja sitten sanot sen toiselle polulle ja toiselle, ja siitä tulee yhä pelottavampi väite, että biokemian ydin vain sattuu olemaan termodynaamisesti suositeltu geenien puuttuessa.
Kuusi tai seitsemän vuotta sitten tätä kantaa ei ollut helppo ylläpitää, koska siitä ei todellakaan ollut todisteita. Mutta sen jälkeen ainakin kolmen tai neljän näistä reiteistä on osoitettu tapahtuvan spontaanisti ja alhaisilla tasoilla laboratoriossa. Kaikki polut eivät ole valmiita, mutta välivaiheita tapahtuu. Alkaa näyttää siltä, että ei ole kohtuutonta väittää, että geenit ovat syntyneet maailmassa, jossa meillä oli jo melko kehittynyttä proto-aineenvaihduntaa.
Puhutaanpa siitä, kuinka proto-aineenvaihdunta on voinut kehittyä syvänmeren hydrotermisissä aukoissa. Mikä ilmausympäristössä saa sinut ajattelemaan, että se suosi Krebsin syklin alkua, aineenvaihduntaprosessia, joka saa energiaa hiilihydraateista, rasvoista ja proteiineista?
Aloitetaan siitä, mistä elämä alkaa: vedystä ja hiilidioksidista, jotka eivät reagoi kovin helposti. Miten elämä saa heidät reagoimaan? Kuten näemme mitokondrioissa ja tietyissä bakteereissa, elämä käyttää kalvon sähkövarausta siirtääkseen elektroneja vedystä rauta-rikkiproteiineihin, kuten ferredoksiiniin. Nämä pienet rauta-ionien ja rikki-ionien klusterit muinaisten proteiinien ytimessä ovat kuin pieniä mineraaleja. Saat nämä mineraalit hydrotermisissä aukoissa, ja saat myös hiilidioksidia ja vetyä, ja huokoisessa kalliossa on jopa ohuita esteitä, joissa on sähkövaraus.
Kysymys kuuluu: Ohjaako tämä rakenne tuuletusaukoissa tehokkaasti hiilidioksidin ja vedyn välistä reaktiota? Ja vastaus, jonka löydämme laboratoriossa viimeisen vuoden tai kahden aikana, on kyllä, se todella löytää. Emme saa paljon, mutta saamme enemmän, kun alamme optimoida prosessiamme, ja näemme tuottavan Krebsin syklin välituotteita. Ja jos lisäät typpeä, saat samat aminohapot, joita elämä käyttää.
Joten tämä kemia on termodynaamisesti suositeltu. Juuri nämä ensimmäiset askeleet ovat vastahakoisia, mutta hydrotermisen tuuletusaukon sähkövaraukset näyttävät laskevan esteen ensimmäiselle vaiheelle, joten loput voivat tapahtua. Käytännössä sinulla on jatkuva hydrotermisten nesteiden virtaus, joka kulkee tämän sähkökemiallisen reaktion läpi ja muuttaa ympäristössä olevia kaasuja orgaanisemmiksi molekyyleiksi, joiden voit kuvitella käpertyvän solun kaltaisiin huokosiin, rakentuvan solun kaltaisiksi kokonaisuuksiksi ja tekevän enemmän itsestään. Se on hyvin karkea kasvumuoto, mutta siinä mielessä elävä.
Mutta kuinka nämä ensimmäiset protosolut sitten tulivat itsenäisiksi protonigradienteista, jotka he saivat ilmaiseksi hydrotermisissä aukoissa?
Suuri osa tästä on spekulatiivista, mutta vastaus näyttää olevan, että tarvitset geenejä ollaksesi riippumaton. Ja tämä on siis perustavanlaatuinen kysymys: Mistä ja milloin geenit tulevat?
Olemme osoittaneet, että teoriassa, jos otat käyttöön satunnaisia RNA-sekvenssejä ja oletetaan, että siinä olevat nukleotidit voivat polymeroitua, saat pieniä nukleotidiketjuja. Oletetaan seitsemän tai kahdeksan satunnaista kirjainta, joihin ei ole koodattu mitään tietoa. Tämä voi nyt todella auttaa sinua kahdella tavalla. Yksi on, että se toimii mallina useammalle RNA:lle: Se pystyy mallintamaan tarkan kopion samasta sekvenssistä, vaikka sekvenssissä ei olisikaan tietoa. Mutta toinen asia, jonka se periaatteessa voi tehdä, on toimia aminohappojen mallina. Aminohappojen ja RNA:n kirjainten välillä on epäspesifisiä biofysikaalisia vuorovaikutuksia - hydrofobiset aminohapot ovat todennäköisemmin vuorovaikutuksessa hydrofobisten emästen kanssa.
Joten sinulla on satunnainen RNA-sekvenssi, joka tuottaa ei-satunnaisen peptidin. Ja sillä ei-satunnaisella peptidillä voi sattumalta olla jokin tehtävä kasvavassa protosolussa. Se voi saada solun kasvamaan paremmin tai kasvamaan huonommin; se voisi auttaa RNA:ta replikoitumaan itse; se voi sitoutua kofaktoreihin. Sitten sinulla on valinta tuolle peptidille ja RNA-sekvenssille, joka aiheutti sen. Vaikka järjestelmä on hyvin alkeellinen, se tarkoittaa, että olemme juuri tulleet geenien, tiedon ja luonnonvalinnan maailmaan.
Olemme juuri siirtyneet järjestelmästä ilman tietoa järjestelmään, jossa on tietoa, eikä itse järjestelmässä ole juurikaan tapahtunut muutoksia. Olemme vain lisänneet satunnaista RNA:ta. Onko se nyt totta? Sanotaan, että kauneimmat ideat voidaan tappaa rumilla faktoilla. Ja se ei ehkä ole totta, mutta sillä on niin suuri selitysvoima, että en voi uskoa, ettei se ole totta.
Joten hydrotermisissä tuuletusaukoissa saamme joitain Krebsin syklin välituotteita. Mutta kuinka ne sitten kaikki yhdistyivät sykliksi? Onko merkitystä sillä, että tämä toimii syklinä eikä lineaarisena reaktioketjuna?
Keskitymme usein Krebsin kiertokulkuun, joka suorittaa samoja energiaa tuottavia reaktioita yhä uudelleen ja uudelleen. Mutta Krebsin sykli voi toimia molempiin suuntiin. Mitokondrioissamme se irrottaa hiilidioksidin ja vedyn välimolekyyleistä generoidakseen sähkövarauksen kalvoon energiaksi. Monissa muinaisissa bakteereissa se toimii kuitenkin juuri päinvastoin: Se käyttää kalvon sähkövarausta ajamaan reaktioita hiilidioksidin ja vedyn kanssa näiden välituotteiden valmistamiseksi, joista tulee esiasteita kasvuun tarvittavien aminohappojen valmistuksessa.
Eikä se ole vain muinaisissa bakteereissa – solumme käyttävät edelleen Krebsin sykliä myös biosynteesiin. Olemme tienneet 1940-luvulta lähtien, että Krebsin sykli voi joskus kulkea taaksepäin soluissamme ja että sen välimolekyylejä käytetään joskus esiasteina aminohappojen valmistuksessa. Mitokondriomme tasapainottavat kahta vastakkaista prosessia, energiantuotantoa ja biosynteesiä, solujemme tarpeiden perusteella. Tässä on eräänlainen yin ja yang.
Krebsin kierto ei koskaan toiminut todellisena syklinä paitsi kaikkein energisimmissä soluissa, kuten kyyhkysten lentolihaksissa, joissa se löydettiin ensimmäisen kerran. Useimmissa soluissa Krebsin sykli on enemmän kuin kiertoliittymä kuin sykli, jossa asiat tulevat sisään ja ulos eri kohdissa. Ja se on kiertoliittymä, joka voi kulkea molempiin suuntiin, joten se on tavallaan sotkuinen.
Miten hapen nousu liittyi aineenvaihduntavirran suositeltuun suuntaan ja ensimmäisten monisoluisten eläinten kehitykseen?
Ensimmäiset eläimet näyttävät kehittyvän, kun happitasot olivat todella alhaiset suuren osan ajasta. He ryömivät mudassa, joka oli täynnä sulfidia, kuin kaasut viemärissä. Nämä varhaiset madot tarvitsivat happea ryömiäkseen, mutta niiden täytyi myös puhdistaa kaikki tämä sulfidi ja käsitellä paljon hiilidioksidia ympäristössään.
Minulle valkeni, että ainoa tapa, jolla voit tehdä sen, on käyttää erityyppisiä kudoksia, jotka tekevät erilaisia töitä. Heti kun ryömit, tarvitset lihaksia ja tarvitset jonkinlaisen hengityselimen. Kyseessä on kaksi erityyppistä kudosta, joista toisen on säilytettävä happea ja annettava sitä tarvittaessa, kun taas toinen yrittää toimia ilman happea. Heidän on tehtävä biokemiansa eri tavoilla, eri viruksilla Krebs-syklinsä läpi. Sinun on pakko tehdä kaksi tai kolme asiaa kerralla.
Nyt sitä vastoin oli tämä salaperäinen ryhmä yksinkertaisia organismeja nimeltä Ediacaran fauna. He asuivat noin 200 metriä syvällä valtameressä ja kuolivat sukupuuttoon juuri ennen kambrian räjähdystä noin 540 miljoonaa vuotta sitten, kun ympäristön happitasot laskivat. Ediacaran eläimistöllä ei ollut paljon kudosten erilaistumista, ja he pystyivät tekemään vain yhden asian biokemiallisesti kerrallaan. Kun happitasot laskivat juuri ennen kambriaa, he eivät kyenneet sopeutumaan uusiin ympäristöihin.
Mutta heti kun sinulla on useita kudoksia, voit tehdä asioita rinnakkain. Voit tasapainottaa sen, mitä tämä kudos tekee, sen kanssa, mitä tämä kudos tekee. Energiaa ja biosynteesiä ei voi tehdä yhtä aikaa yhtä helposti – on helpompi tehdä jompikumpi. Tämä pakottaa meidät eri kudoksissa eri aineenvaihduntaan.
Kudosten erilaistuminen ei siis tarkoita vain geenejä, jotka sanovat: "Tästä tulee maksa" tai "Tästä tulee hermokudosta". Se mahdollistaa elämäntavat, jotka eivät olleet mahdollisia ennen, ja se antoi ensimmäisten matojen selviytyä huonoista olosuhteista, jotka tappoivat kaiken muun. Kambrian räjähdys tapahtui sen jälkeen. Kun happitasot lopulta nousivat, nämä kirkastetut madot, joissa oli useita kudoksia, olivat yhtäkkiä ainoa esitys kaupungissa.
Tämä liittyy joihinkin ajatuksiisi syövästä. 1970-luvulta lähtien suurin osa syöpien parantamiseksi ja ehkäisemiseksi työskentelevistä biolääketieteellisistä laitoksista on keskittynyt onkogeeneihin. Silti väität, että syöpä ei ole niinkään genominen sairaus kuin metabolinen sairaus. Voitko selittää miksi?
Noin 10 vuotta sitten syöpäyhteisö oli hämmästynyt havainnosta, että joissakin syövissä mutaatiot voivat johtaa Krebsin syklin osien taaksepäin kulkemiseen. Se oli melkoinen shokki, koska Krebsin syklin opetetaan yleensä vain pyörivän eteenpäin energian tuottamiseksi. Mutta käy ilmi, että vaikka syöpäsolu tarvitsee energiaa, se tarvitsee vielä enemmän hiilipohjaisia rakennuspalikoita kasvua varten. Joten koko onkologian ala alkoi nähdä tämän Krebsin syklin kääntymisen eräänlaisena aineenvaihdunnan uudelleenkytkentänä, joka auttaa syöpäsoluja kasvamaan.
Tämä löytö aiheutti myös uuden tulkinnan siitä tosiasiasta, että syöpäsolut kasvavat ensisijaisesti niin kutsutulla aerobisella glykolyysillä. Itse asiassa syöpäsolut siirtyvät polttamasta happea mitokondrioissaan hengittämistä varten fermentoimaan energiaa, kuten hiivasolut, jopa hapen läsnä ollessa. Kun Otto Warburg kertoi tästä lähes 100 vuotta sitten, hän keskittyi energiapuoleen. Mutta syöpäyhteisö näkee nyt tämän muutoksen olevan kasvua. Vaihtamalla aerobiseen glykolyysiin energian saamiseksi syöpäsolut vapauttavat mitokondrioitaan muihin tarkoituksiin. Syöpäsoluissa on biosynteettisiä mitokondrioita, jotka muodostavat elämän rakennuspalikoita.
On totta, että syövissä näkyy onkogeenimutaatioita. Mutta syöpiä ei aiheuta vain jokin geneettisesti deterministinen mutaatio, joka pakottaa solut jatkamaan kasvua pysähtymättä. Aineenvaihdunta on myös tärkeä, koska se tarjoaa sallivan ympäristön kasvulle. Kasvu menee tässä mielessä geenejä edelle.
Mikä tekee meistä haavoittuvampia syövälle vanhetessamme, jos se ei ole mutaatioiden kerääntyminen?
Uskon, että kaikki hengitysvauriot, jotka hidastavat Krebsin sykliä, tekevät siitä todennäköisemmin kääntyvän biosynteesiin. Kun vanhenemme ja keräämme kaikenlaisia soluvaurioita, tämä aineenvaihdunnan keskeinen osa alkaa ehkä todennäköisemmin mennä taaksepäin tai ei mene eteenpäin yhtä tehokkaasti. Tämä tarkoittaa, että meillä on vähemmän energiaa; se tarkoittaa, että alamme lihoa, koska alamme muuttaa uloshengitetystä hiilidioksidista takaisin orgaanisiksi molekyyleiksi. Riskimme sairastua sairauksiin, kuten syöpään, kasvaa, koska meillä on aineenvaihdunta, joka on altis sellaiselle kasvulle.
Gerontologiayhteisö on puhunut näillä linjoilla 10-20 vuoden ajan. Suurin riskitekijä ikään liittyville sairauksille ei ole mutaatiot; se on vanhaa. Jos pystyisimme ratkaisemaan ikääntymisen taustalla olevan prosessin, voisimme parantaa useimmat ikääntymiseen liittyvät sairaudet. Se näyttää monessa suhteessa kiehtovan yksinkertaiselta. Elämmekö todella yhtäkkiä 120 vai 800? En näe sen tapahtuvan lähiaikoina. Mutta sitten kysymys kuuluu, miksi ei?
Miksi vanhenemme? Mikä aiheuttaa kiinnityssoluvaurion?
Olemme havainneet viimeisen viiden tai kuuden vuoden aikana, että Krebsin syklin välituotteet ovat voimakkaita signaaleja. Joten jos kierto hidastuu ja alkaa mennä taaksepäin, alamme kerääntyä välituotteita, ja esimerkiksi sukkinaatti alkaa vuotaa mitokondrioista. Ne kytkevät päälle ja pois tuhansia geenejä ja muuttavat solujen epigeneettistä tilaa. Ikääntyminen heijastaa aineenvaihdunnan tilaa.
Meillä on tapana unohtaa, että aineenvaihduntaan liittyy ehkä 20 miljardia reaktiota sekunnissa, sekunnissa jokaisessa kehosi solussa. Jatkuvasti muuntuvien molekyylien määrä kaikilla näillä reiteillä, mukaan lukien suoraan Krebsin syklin sydämeen, on ylivoimainen. Se on väistämätön reaktioiden joki. Emme voi kääntää sen virtausta, mutta voimme ehkä toivoa kanavoitavamme sen hieman paremmin pankkien välillä.
