Arkisto

• syyskuu 2020
• elokuu 2020
• kesäkuu 2020
• toukokuu 2020
• huhtikuu 2020
• maaliskuu 2020
• helmikuu 2020
• tammikuu 2020
• joulukuu 2019
• marraskuu 2019
• lokakuu 2019
• syyskuu 2019
• elokuu 2019
• kesäkuu 2019
• toukokuu 2019
• huhtikuu 2019
• maaliskuu 2019
• helmikuu 2019
• tammikuu 2019
• joulukuu 2018
• marraskuu 2018
• lokakuu 2018
• syyskuu 2018
• elokuu 2018
• heinäkuu 2018
• kesäkuu 2018
• toukokuu 2018
• huhtikuu 2018
• helmikuu 2018
• tammikuu 2018
• joulukuu 2017
• marraskuu 2017
• lokakuu 2017
• syyskuu 2017
• elokuu 2017
• heinäkuu 2017
• kesäkuu 2017
• toukokuu 2017
• huhtikuu 2017
• maaliskuu 2017
• helmikuu 2017
• tammikuu 2017
• joulukuu 2016
• marraskuu 2016
• lokakuu 2016
• syyskuu 2016
• elokuu 2016
• heinäkuu 2016
• kesäkuu 2016
• toukokuu 2016
• huhtikuu 2016
• maaliskuu 2016
• helmikuu 2016
• tammikuu 2016
• joulukuu 2015
• marraskuu 2015
• lokakuu 2015
• syyskuu 2015
• elokuu 2015
• kesäkuu 2015
• toukokuu 2015
• huhtikuu 2015
• maaliskuu 2015
• helmikuu 2015
• tammikuu 2015
• joulukuu 2014
• marraskuu 2014
• lokakuu 2014
• syyskuu 2014
• elokuu 2014
• kesäkuu 2014
• toukokuu 2014
• huhtikuu 2014
• maaliskuu 2014
• tammikuu 2014
• joulukuu 2013
• marraskuu 2013
• lokakuu 2013
• syyskuu 2013

---

Elämä on oppimista ja ylös-rakentamista – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 4

28.2.2014 klo 18.11, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Luonnonvalinta on aina voimakkaasti suosinut sellaisten asioiden omaksumista, jotka ovat parantaneet kyseisen eliön hengissä säilymistä. Silloin alussa kun elämä oli vasta oli juuri oppinut kopioimaan itseään – eli kopioimaan RNAta RNAn avulla – silloin oli tavattoman paljon hyötyä siitä että kopioituminen tuli tehokkaammaksi ja tarkemmaksi. Oli myös hyödyllistä oppia tekemään lisää RNA rakennuspalikoita, eli ribonukleotideja, ja aktiovoida niitä fosfaattiryhmillä. Näitä toimenpiteitä hoidettiin aluksi RNAn avulla … mutta ilmeisesti sitten kävi niin että jotkut lähistöllä olevat aminohapot tai niiden pienet ketjut osallistuivat suotuisalla tavalla tuohon prosessiin. Ne ilmeisesti sitoutuivat kyseisiin RNA juosteisiin ja jotenkin parantasivat niiden toimivuutta – ehkä vain auttamalla sitä että ne säilyivät ehjinä pidempään, tai laskostuivat sopiviin kolmiulotteisiin rakentesiin. Sitten kävi vielä niinkin että joku paikallinen ribozyymi – siis aktiivinen RNA-rihma – alkoi liittää aminohappoja toisiinsa. Tämä oli aivan satunnainen reaktio, mutta kuitenkin yhteen liitetyt aminohapot paransivat edelleen ribosyymien toimivuutta tai säilyvyyttä. Tämän ansiosta nämä pystyivät taas ”keksimään” tai ”oppimaan” jotakin uusia toimintoja…. ja prosessi eteni positiivisen luonnonvalinnan ajamana vaiheesta toiseen. Monien erilaisten molekyylien vuorovaikutusten kautta se johti lopulta geneettisesti ohjattuun aminohappojen ketjuttamiseen, eli proteiinisynteesi-koneiston syntymiseen.

Aminohappojen ketjutuskoneisto oli jo alussaan hyvin moniosainen: yksi osa, eli RNA:sta koostuva molekyylikompleksi (nykynimeltään ribosomi) luki toisen RNA-nauhan (nykynimeltään lähetti-RNAn, lyhyesti mRNA) emäsjärjestystä, aina kolme emästä kerrallaan. Samalla se otti sisäänsä kolmansia RNA- molekyylejä (nykynimeltään siirtäjä-RNA-molekyylejä, lyhyesti tRNA) tuon mRNAn määräämässä järjestyksessä, nappasi kunkin tRNAn kantaman aminohapon, ja liitti sen edellisten aminohappojen ketjuun. Kyseinen aminohappo oli jo aikaisemmin liitetty tuohon tRNAhan jonkun viidennen komponentin toimesta (nykymaailmassa sen tekee tRNA-aminoasylaasi-entsyymit – alunperin sen teki joku tähän toimintaan sopiva ribozymi). Ja mikä vallan merkittävää ja tärkeää ja merkillistä – aminohapot oli liitetty tRNA-molkyyleihin tarkasti tietyn koodin perusteella, niin että kukin tRNA kantoi aina samanlaista aminohappoa. Tämä tunnistus-suhde tunnetaan nykyisin nimellä geneettinen koodi, ja se määrää sen miten proteiinisynteesikoneisto muuttaa mRNAn emäsjärjestyksen ketjutettavien aminohappojen järjestykseksi.

Kun tämä synteesikoneisto alkoi toimimaan, se osoittautui varhaisille elämänmuodoille ensiarvoisen tärkeäksi. Luonnovalinnan myötä sen tuottamat proteiinit kehittyivät erittäin hyödyllisiksi, sillä ne pystyivät tekemään lähes kaikkia elämän tarvitsemia töitä ja toimenpiteitä huomattavasti tarkemmin ja tehokkaammin kuin RNA-rihmat, eli ribozymit. Onkin sanottu, että vasta se elämänmuoto – tai molekyyliyhteisö – joka keksi tämän taidon, vakiinnutti paikkansa elävänä eliönä. Tästä syystä se on nimetty ”läpimurtoeliöksi” (Break through organism, Riborgis eigensis, Jeffares ym. 1998, J. Molec. Evol. 46:18-36)

Nykyisessä muodossaan tuo proteiinsynteesikoneisto on hyvin sofistikoitunut ja monimutkainen. Kuitenkin, jo sen ensimmäisenkin toimivan koneiston piti olla varsin kompleksinen, sillä se ei voinut ollenkaan toimia ilman että kaikki edellä mainitut viisi erilaista työkalua – eli ribosomien sisällä olevat rRNAt, aminohappoja kuljettavat tRNAt, geneettistä informaatiota kuljettavat mRNAt, aminohapot ja geneettinen koodi – kaikki pystyivät toimimaan yhdessä. Toisaalta tiedämme että evoluutio etenee aina vain pienin askelin: Olemassa oleva geneettinen infomaation muuttuu ja tekee uusia yhdistelmiä, ja tätä kautta syntyy uusia ominaisuuksia, toimintoja ja kykyjä. Mutta uusia asioita EI synny tyhjästä, vaan kaikkien toimintojen kehityshitoria pitäisi olla palautettavissa (tai purettavissa) aina yksinkertaisempiin, toimiviin lähtötilanteisiin. Näin ollen on vaikea ajatella kehityskulkua joka tuottaa viisi erillistä, hyvin monimutkaista ominaisuutta, jotka alkavat toimimaan vasta sitten kun löytävät toisensa, sopivat yhteen ja muodostaat yhdessä toimivan kokonaisuuden. Ongelmaa on kutsuttu kirjallisuudessa nimikkellä ”non-reducible complexity”. Se tarkoittaa sitä että tuon koneiston osien piti olla olemassa jostakin muusta syystä, eli tehdä jotakin MUUTA ennenkuin ne alkoivat yhdessä tuottamaan proteiineita.

Erityisen vaikeaa on ymmärtää geneettisen koodin kehittyminen jo tässä vaiheessa – itseasiassa jo ennen varsinaisen proteiinisynteesin alkua. Tuo koodi on eräs elämän pisimmälle optimoituja toimintoja: se tulkitsee geneettistä informaatiota hyvin ”ymmärtäväisesti”, sillä samantapaiset kolmikot koodaavat joko samoja tai samankaltaisia aminohappoja. Proteiinisynteesin varhaisimmissa vaiheissa ei vielä ollut käytössä yhtä monta aminohappoa kuin nykyään, mutta lopulta 64 erilaista koodinimeä tuli vastaamaan yhteensä 20 erilaista aminohappoa. Eri koodien merkitys ”fiksaantui” samanaikaisesti – joten ne eivät voineet valikoitua yksitellen, vertikaalisen periytymisen ja evoluution kautta, vaan koko järjestelmän piti optimoitua rinnakkain, horisontaalisen periytymisen ja jakamisen kautta, siten että kaikki kodonit optimoituivat samanaikaisesti.

Tuota geneettisen koodin optimoitumista monissa rinnakkaisissa molekyyliyhteisöissä samanaikaisesti on mallitettu hienosti paperissa Vetsigian, K., Woese, C., and Goldenfeld, N. (2006) Collective evolution and the genetic code. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 10696-10701. Koko proteiinisynteesikoneiston syntyä taas on mallinnettu mukavasti paperissa Yuri I Wolf, Eugene V Koonin Biology Direct 2007, 2:14 (31 May 2007) On the origin of the translation system and the genetic code in the RNA world by means of natural selection, exaptation, and subfunctionalization. Kuitenkin Eugene Koonin, joka on eräs elämän synnyn ansioituneimpia tutkijoita, kirjoitti samoihin aikoihin myös rinnakkaisen selitysmallin. Siinä hän spekuloi mahdollisuudella että proteiinisynteesi-systeemin esiinnousu on niin vaikea tapahtuma, että sen syntyminen on selitettävissä vain (antrooppisen periaatteen mukaisesti) rinnakkaisten maailmankaikkeuksien maailmassa, missä rajattoman monet erilaiset vaihtoehdot voivat tuottaa myös täysin mahdottomia ratkaisuja (E. Koonin, The cosmological model of eternal inflation and the transition from the chance to biological evolution in the history of life. Biology Direct 2007, 2:15).

Proteiinisynteesikoneiston keskeiset osat vakiintuivat ja optimoituivat siis elämän ensimmäisiksi työkaluiksi, ja ovat sen jälkeen pysyneet jotakuinkin samanlaisina RNA-molekyyleinä aina tähän päivään asti. Nyt ajatellaan että ne jäivät sellaisiksi siksi, että elämän uudemmat komponentit kehittyivät niiden päälle, eivätkä ne voineet sen jälkeen enää oleellisesti muuttua. Sanotaankin että ne ovat ”frozen accidents” – eli sattuman tuottamia ratkaisuja jotka ovat tallentuneet pysyväti solujen sisälle molekulaarisiksi fossiileiksi. Ne ovat ikäänkuin ”kuvia” joiden avulla saamme vielä näkymän tuohon miljardeja vuosia sitten valliinneeseen RNA-elämän aikaan….

---

Miten eloton saattaa muuttua eläväksi – elämän synnyn ongelmia järjestysnumerolla 3

18.2.2014 klo 00.20, kirjoittaja Kirsi Lehto
Kategoriat: Astrobiologia

Elämä rakentui varsin tavallisista aineista – ja varsin pienestä ainevalikoimasta. Alkuaineita tarvittiin vain kuutta erilaista – eli hiiltä, vetyä, typpeä, happea, fosforia ja rikkiä (CHNOPS). Näistä syntyi pieni joukko tietynlaisia yhdisteitä – nukleotideja, aminohappoja ja lipidejä (vaikka ongelma no. 1 olikin että miksi ja miten juuri näitä). Sitten, jossakin sopivassa ympäristössä nukleotidit ketjuuntuivat kohtalaisen pitkiksi nauhoiksi – alkaa kehittyä polymeerien ihmeellinen maailma.  (Tosin, ongelma no. 2 oli että nukleotideja on vaikea saada syntymään, ja vaikeaa niitä on myös ketjuttaa – ja saattaa olla että tämä piti mennä jotenkin mutkan kautta, eli käyttäen ensin jotakin yksinkertaisempia ”lenkkejä” ketjussa).

Kuitenkin, jossakin suotuisissa olosuhteissa ketjuja kuitenkin syntyi nimenomaan ribonukleidejä, ja niiden ketjuja – eli RNAta. Nämä, ihan oman aktiivisen luonteensa perusteella, automaattisesti vetäytyivät tai laskostuivat jonkinlaisiin sykkyröihin itsensä kanssa. Tällaiset RNA-sykkyrät sitten pystyivät toimimaan aktiivisina kemiallisina katalyyttäinä – samaan tapaan kuin proteiinit toimivat nykyään. Näitä kattalyyttisä RNA-juosteita kutsutaan entsyymiä muistuttavalla sanalla ”Ribozyymeiksi” – ja sitä toiminta-maailmaa jonka ne synnyttivät kutsutaan RNA-maailmaksi.

Eräs mielenkiintoinen kysymys on missä – siis minkälaisissa olosuhteissa – noita varhaisia, satunnaisia RNA-nauhoja saattoi syntyä. Viime vuosina on osoitettu että eutektiset jäät – siis suolaisten vesien jäät joiden lämpötila on alle -15 ^oC – edistävät  tehokkaasti RNA-nukleotidien ketjuuntumista. Tämä johtuu siitä että jääkiteiden muodostuminen konsentroi nukleotidit tehokkaasti, ja pysäyttää niiden liikkeen. Näissä olosuhteissa voi syntyä jopa 20 nukleotidin pituisia ketjuja. Nämä ketjut voivat jopa kääntyä hännästään ympäri ja kopioitua ”itsensä päälle”.  Voi kuulostaa hassulle – mutta asiaan voi tutustua tarkemmin vaikkapa Pierre-Alain Monnard ja Jack W. Szostak artikkelissa, Journal of Inorganic Biochemistry 102 (2008) 1104–1111) artikkelissa. Samantapaiset olosuhteet myös edesatuttavat tehokkaasti juosteiden kopiitumista, kuten Attwater, Wochner ja Holliger kirjoittavat Nature Chemistry artikkelissa DOI: 10.1038/NCHEM 1781 (2014).

Nuo varhaiet RNA-nauhat eivät koodanneet vielä mitään proteiineja – sihön ollut vielä olemassa edes mitään proteiinisynteesikoneistoakaan – mutta silti ne jo sisälsivät informaatiota. Tuokin informaatio sisältyi nauhojen emäsjärjestykseen, ja määräsi sen miten ko. nauha laskostui sykkyrään. Sykkyrän rakenne taas määräsi sen miten se pystyi suorittamaan jotakin tarpeellisia toimintoja. Nyt tiedetään että n. 50 nukleotidin pituiset RNA-nauhat pystyvät katalysoimaan jo jonkunlaisia reaktoita. Mitä pidempiä nauhat ovat, sen paremmin ja tarkemmin ne pystyvät toimimaan – sadan pituiset jo monenkinlaisia reaktioita. Ne pysytvät esimerkiksi tehokkaasti katkomaan RNA-nauhoja, ja liittämään niitä taas toisiinsa. Tämä liittämis-reaktio tehostuu jos  liitettävät RNA-nauhat ovat pariutuneet johonkin juosteeseen – joka siis toimii alustana eli templaattina näille liitettäville pätkille – ja samalla itse kopioituu. On mahdollista – tai todennäköistä – etttä tuollainen RNA-palasten yhteen liitteleminen synnyttytti ensimmäisen kopioituvan systeemin. Se saattoi tuottaa olemassa olevista nauhoista kopioita nopeammin kuin niitä hajosi – ja tämä olisi johtanut nauhojen määrän lisääntymiseen. Ja tietysti, oleellista oli että juuri tuon kopioivan ribozyymin määrä lisääntyi, jotta toiminta saattoi jatku eteen päin. Sen ohella varmasti myös muita tuotteita syntyi – ehkä runsaastikin.

Tuo varhainen kopioituminen oli vielä hyvin alkeellista, ja epätarkkaa. Se ei siis mitenkään voinut tuottaa kovinkaan tarkkoja kopioita olemassa olevista templaateista. Ja virheiden tekeminen tietyn toimivan informatiivisen nauhan kopioinnissa on kohtalokasta – nimittäin kun virheitä tulee liikaa, niin kyseinen informaatio ja toiminta katoavat. Näin ollen, jotta tuo kopioiva nauha olisi pystynyt pysymään toiminnassa, sen olisi ainakin pitänyt pystyä kopioimaan itsensä oikein.

Suurpiirteisesti voidaan sanoa, että kopiointisysteemi ei voi ylläpitää sen pidempää nauhaa kuin minkä se pystyy kopioimaan virheettömästi. Kopiointitarkkuuden ohella informaation pysyvyyteen kuitenkin vaikuttaa toinenkin seikka – eli tuon informaation valintaetu, verrattuna muihin kopioituviin juosteisiin.

Tämä asia on kuvattu tarkasti kaavalla, joka määrittelee että kopioituvan juosteen maksimipituus L

L < ln s/ (1-q)         missä L = pituus,  s = valintaetu, (1- q) = virhetiheys

Tämän kaavan on johtanut nobel-palkittu biokemisti Manfred Eigen, joskus 60-luvulla, käyttäen viruksia mallisysteeminään. Kaavassa näkyy että tärkeänä nauhan pidentymistä lisäävänä seikkana toimii sen valintaetu muihin juosteisiin verrattuna. Jos ko. juosteen toiminta on erittäin tärkeä – sen valintaetu on suuri, niin siitä säilyy – tai valikoituu – aina vain niitä toimivia versioita, vaikka se olisikin niin pitkä että sen kopioiminen onnistuu vain satunnaisesti.

Tässä kohtaa siis nousee luonnonvalinta pitämään yllä ensimmäisiä hauraita elämänmuotoja: se mikä toimii, se säilyy. Voidaan ajatella että elämä alkaa Darwinilaisen luonnonvalinnan ja evoluution käynnistymisestä. Tämän varassa se on myös jatkunut ja kehittynyt tähän päivään saakka.

Kopioitujen juosteiden (varhaisten genomien) kasvaminen pidemmiksi oli ensiarvoisen tärkeää siksi, että se mahdollisti elintoimintojen rikastumisen, tarkentumisen ja parantumisen. Sitä kuitenkin koko ajan uhkasi edellä mainittu virhekatastrofi – eli virheiden lisääntyminen, ja sen myötä, toimivan informaation  katoaminen. Tilanne olisi voinut olla samanlainen toivoton umpiperä kuin se kuuluisa ”catch 22” . Jonkinlaisena kokonaisvaltaisena ratkaisuna tässä tilanteessa toimi ns. Darwin-Eigen sykli, eli positiivinen nouseva kierre, missä satunnainen vaihtelu (rekombinaatio, mutaatiot) lisäsivät genomien pituuttaa monimuotoisuutta, nämä tuovat peliin uusia toimintoja ja ominaisuuksia – näistä taas luonnonvalinta valitsee niitä jotka pystyvät pitämään yllä tätä uutta isompaa genomia… Voila, itse itseään ylläpitävä ja korjaileva ja parantava automaatti oli syntynyt…