Sciencemag.cz
Doporučujeme
Pokud kopírování RNA probíhá bez katalýzy, může být zpracováván řetězec nanejvýš několik desítek nukleotidů dlouhý.
Syntéza kopie RNA probíhá podle pevných pravidel. Komplementární řetězec vzniká jen podle následujícího schématu: adenin se přepíše do uracilu a uracil do adeninu, zatímco guanin do cytosinu a cytosin do guaninu (hovoříme pouze o bázích, ve skutečnosti se jedná o reakce mezi nukleotidy z příslušných bází odvozených). Posloupnost AGGCUAAU se přepisuje (transkribuje) do UCCGAUUA, a teprve při druhém kroku dochází k opětovnému vybudování kopie původního řetězce AGGCUAAU dle nové matrice (vzoru) UCCGAUUA. Může se tento dvoustupňový proces vynořit v abiotickém světě bez enzymové katalýzy?
Pokud uvažujeme reakční soustavu zahrnující pouze templát (vzor, původní molekulu RNA) a směs stavebních jednotek (aktivovaných nukleotidů – nukleosidfosfátů), je rychlost a specifita kopírování vzoru nedostatečná. Proces je pomalý a nepřesný. Avšak není tomu tak vždy, kupříkladu posloupnost tvořená pouze guaninovými nukleotidy je do řetězce doplňkových bází cytosinů kopírována vcelku přesně, totéž pak platí, pokud jsou cytosiny a guaniny v jednom řetězci kombinovány. Problémem však je, že nově vzniklé řetězce spárovaných cytosinů a guaninů jsou silně náchylné k tvorbě stabilních a do sebe uzavřených struktur, které další kola replikací nedovolují. Nová vlákna jsou do sebe zaklesnuta natolik pevně, že se jen neochotně rozcházejí. Takto by se evoluce celé struktury zastavila. Příměs ostatních, volněji provázaných nukleotidů zablokování reakčního sledu efektivně brání.
Nelze vyloučit ani mechanismus spojování krátkých řetězců oligonukleotidů, které účinnost replikačních procesů navyšují. Podle některých studií je dokonce možné, že spíše než tvorba nového doplňkového vlákna z izolovaných monomerů je spojování již předpřipravených kratších řetězců právě tou cestou, která vede ke zvýšení množství delších vláknitých produktů v populaci RNA. Kratší řetězce mohou vznikat za katalýzy kovovými minerály, jíly či RNA. Někdy je uvažována možnost existence poněkud odlišné molekulární struktury původních stavebních bloků, které by mohly být k replikaci ochotnější než stávající RNA, jíž byly později nahrazeny. Na základě rozličných experimentálních dat je nakonec snadné představit si prebiotický svět, kde kopírování a replikace vskutku probíhá.
Nahlížíme tak jeden z autokatalytických systémů zásadního významu. Jelikož příslušnou katalytickou činností je výroba polymeru RNA, hovoří se o ribozymu (později enzymu) RNA-polymeráze. Podstatné je, aby tato RNA-polymeráza působila pozitivní zpětnou vazbou na replikaci sama sebe. Pozorujeme čisté a jednoznačné propojení informační i výkonové funkce: RNA sama je si vzorem a replikující, množící se jednotkou, a současně je tím katalyzátorem, jenž vlastní přepis umožňuje.
Klíčové je, že se katalytická aktivita RNA-polymerázy přednostně projevuje přímo na typu molekuly RNA, který sám aktivitu vykazuje. Kopírován a množen je tak především katalyzátor, ribozym, který je vybírán podle konkrétní posloupnosti bází. Takové molekuly ribozym rozpozná a množí, jeho kopie se rozšiřují.
Systému je však vlastní určitá nepřesnost, takže ve výsledku vzniká skupina produktů různých délek a vlastností. Některé jsou zastoupeny hojněji a díky pozitivní zpětné vazbě se dále šíří. Pokud je molekula dobrým katalyzátorem a katalyzuje svou vlastní replikaci, nejlepší z jejich potomků budou její přesné kopie a ty se tak opět ponejvíce namnoží. Cokoliv vznikne jaksi mimochodem a je účinné méně, to sice bude vznikat i nadále, jelikož molekula ribozymu je nepřesná a vyrábí i vedlejší produkty, ale těch bude podstatně méně. Čas od času může dojít ke zvýšení kvality vyráběné molekuly, jež bude katalyzátorem ještě výkonnějším než rodičovská RNA – takový systém bude ve výrobě polymerů nejúčinnější a selekcí upřednostňovaný.
Zvláště na počátku evolučního procesu zacházíme s přesností kopírování, která nástupu organizovanějších forem života moc nepřeje. Chybuje-li systém pouze v jednom z deseti zařazovaných nukleotidů, je to nepřesnost tak velká, že umožňuje vzniknout kopiím dlouhým nanejvýš desítky nukleotidů. Když se vytvářejí delší řetězce, je 10% míra chybovosti natolik vysoká, že se charakter původní posloupnosti v delším časovém horizontu vytrácí. Zatímco v řadě čítající deset prvků chybování 1 : 9 znamená přítomnost 90 % zdravých a jen 10 % postižených řetězců, u řetězců o 40 nukleotidech by bylo postiženo již 4× 10 %, tedy 40 % vláken. RNA se 100 stavebními prvky by pak byla kopírována takřka vždycky špatně. Informace nesená původní molekulou RNA by záhy vymizela. Při přesnosti 99 % už se udrží polynukleotid o stovce bází, při ještě vyšší přesnosti řetězce i významně delší. Můžeme se dostat k polynukleotidům natolik dlouhým, že již mohou vytvářet výraznější prostorová uspořádání (terciární strukturu), která povedou k posílení autokatalytických procesů. Ještě si ukážeme, že výrobu delších nukleotidových řetězců lze zvládat i v soustavě ribozymů – polymeráz – chybujících dokonce více, přesto je přesnost kopírování znakem zásadní důležitosti.
Organizace RNA a prostředí
Ve světě RNA tedy nejde jen o náhodné prodlužování jednovláknového řetězce RNA, ale zmnožování polymerní formy RNA je doplněno o vytváření dvojvlákna už na samém počátku katalytických a organickochemických procesů. Tímto krokem se značně posílí jak stabilita, tak i katalytická aktivita vzniklého útvaru. Základem je párování bází, kdy se ve světě RNA vytvářejí pouze dvojice A-U a C-G. Výsledkem je alespoň přechodné vytvoření dvojvlákna z komplementárních nukleotidů. Je nutné si uvědomit, že formování dvojvlákna je bytostnou podstatou čtení informace zapsané v posloupnosti monomerů – tvorba doplňkového vlákna RNA je základem procesů, které nastartovaly život na této planetě.
Párování bází také dovoluje polynukleotidům zaujímat prostorová (terciární) uspořádání a vykonávat další biologické funkce. Z obrázku 4.4 je patrné, že z vláknitých molekul RNA vznikají krátké vlásenky (smyčky s propojenými řetězci), které jsou uspořádány do prostorově orientovaných ramének. A přesně takovéto úseky RNA i dnes vykazují příslušné ribozymové vlastnosti, tedy schopnost katalýzy.
Dříve, než připustíme katalytickou schopnost RNA, podívejme se na samovolné kopírování matrice dosud bez asistence ribozymu. Takové podmínky byly nastaveny v jednom z experimentů a ukázalo se, že za nízkých teplot (0 °C) polymerační reakce nejen probíhají, ale nízká teplota navíc omezuje samovolný rozpad vznikající RNA. Tyto pokusy dokázaly schopnost replikace u RNA dlouhé přes 200 nukleotidů – a to na rozhraní ledu a kapalné vody.
Pokud do uvažovaných systémů zahrneme katalyzátory, samozřejmě se rozšiřuje spektrum podmínek, ve kterých reakce probíhají. V prostředí hydrotermálních pramenů by mohlo vyšší stabilitě biopolymerů napomáhat kotvení na katalytické a vazebné povrchy minerálů, stejně jako specifické podmínky a navýšení koncentrace organických i jiných molekul a iontů v konkrétních mikroskopických prostorech – dutinkách, jamkách, kanálcích. A tak může syntéza polymerů probíhat za různorodých podmínek, což znamená, že hydrotermální prameny různých typů se stále jeví jako nejpřijatelnější možnost. Ostatně řada z experimentů sledující samoreplikační schopnosti RNA se úspěšně provádí i při teplotách vyšších. Velice často je do modelů zahrnuto kolísání teplot během denního cyklu. Noční chlad a denní vyhřívání mění schopnosti vláken RNA a nukleotidů se navzájem spojovat a rozpojovat, takže i taková prostředí (sladkovodní mělká jezera a toky) se jeví jako nadějná.
RNA-polymeráza a kooperace
Pokud kopírování RNA probíhá bez katalýzy, může být zpracováván řetězec nanejvýš několik desítek nukleotidů dlouhý. V případě katalýzy ribozymem byla pozorována replikace RNA o 200 nukleotidech. Další výhodou je, že katalyzovaná reakce probíhá vůči širokému spektru templátů, a je tak mnohem méně citlivá k jejich vlastnostem a konkrétní sekvenci bází. Díky katalýze se rozšiřuje škála kopírovaných polymerů, což je důležité vzhledem k rozrůznění funkcí vznikajících produktů. V zásadě jeden jediný organický katalyzátor (polymeráza) může vytvářet celou řadu molekul, které pak katalyzují i jiné reakce, související např. s metabolismem nebo stabilizací prvků systému. Řada ze vznikajících RNA není schopna se kopírovat a množit, čímž je závislá na jediném
typu přítomné polymerázy. Přitom tyto další molekuly RNA mohou svou činností významně ovlivňovat prospívání propojeného kooperujícího celku.
V soustavě musí vznikat především kopie klíčových prvků, jež zajišťují další cykly replikace. Zdá se, že se předbuněčný svět ocitá v rukou jediného typu molekuly: RNA-polymerázy. Ona tak začíná vládnout a rozhodovat, které z molekul budou zkopírovány a předány do další generace (i když slovo generace ve směsi vznikajících a zanikajících organických molekul dosud nemá význam).
Nedávné pokusy ukázaly, že lze i v laboratorních podmínkách simulovat evoluci v prostředí čisté RNA a nukleotidů – s výsledkem pozoruhodným. Podařilo se vskutku dospět k typu RNA-polymerázy, která katalyzuje vznik řady produktů s biologickou aktivitou včetně svých kopií. To celé ovšem ryze ve světě RNA, bez aminokyselin a proteinů.
Pravděpodobnost vzniku složitějších molekul s jejich narůstající velikostí v prostředí s malými a nepříliš vyvinutými katalyzátory klesá. To je pochopitelné – organizovanější útvary v chybujícím a nedokonalém výrobním prostředí vznikají méně často než prvky jednodušší. My ale nemusíme nutně trvat na představě jediného mocného katalyzátoru. Naopak, lze si představit spolupráci několika menších a jednodušších katalyzátorů v autokatalytické síti. Není nezbytně potřeba jediný enzym či ribozym, který vyrábí z monomerů složité biopolymery, ale zjevně postačí soustava jednodušších ribozymů s dílčími katalytickými vlastnostmi, které budou ovlivňovat jen určité reakce či skupiny reakcí. Takže to nemusí být jedna jediná RNA, která by vytvářela sama své vlastní kopie a k tomu řadu dalších aktivních látek, ale je zcela vyhovující, pokud různé RNA budou spolupracovat na zefektivnění systému jako celku. Každá z RNA (nebo něčeho jiného) může plnit jen dílčí část replikačního procesu.
Kooperace molekul je na úrovni popisovaných systémů zcela zásadní záležitostí. Jen vzájemná spolupráce mezi jednotlivými prvky může dát vzniknout něčemu složitějšímu, co ponese charakter prvních živých entit. Námi hledaný systém je nastupující spolupráce plný. Molekuly RNA si pomáhají navzájem, nikoliv cíleně, ale čistě na základě faktu, že díky spolupráci funguje systém lépe. Je výkonnější a přesnější. Proto se lépe množí. Proto se šíří.
Prostorové uspořádání a vliv parazitů
Prostorové uspořádání, které úzce souvisí s existencí ohraničení, nejen brání rozptylování důležitých reakčních činitelů po okolí, ale také má význam pro eliminaci možných parazitických molekul. Jako parazit se projevuje molekula, která využívá probíhajících reakcí pouze k vlastnímu množení, ale do autokatalytického cyklu sama nijak nepřispívá (sobecká RNA či DNA). Zdá se být nevyhnutelné, že takovéto parazitické sekvence každý vznikající autokatalytický systém záhy rozloží. Navíc parazitické molekuly RNA budou pravděpodobně efektivnější v množení než sama hostitelská soustava – jednak bývají jejich molekuly menší, takže se rychleji reprodukují, jednak se tolik neskládají do sekundární a terciární struktury a v rozbaleném stavu jsou přístupnější polymerázám než molekuly prostorově sbalené.
V linii vedoucí k živým organismům však k zániku sítě interagujících molekul nedošlo. Jedním z důvodů může být vznik ohraničení, nějaké membrány. Představme si ohraničenou strukturu, ve které je přítomen reakční systém autokatalytického typu při hojném zastoupení jednotlivých reaktantů, produktů a katalyzátorů. Pokud metabolismus zdárně běží, struktura narůstá a množí se. Vznikají prostorově oddělené a ohraničené jednotky živých systémů. Z potomstva má příležitost k dalšímu růstu a množení jen taková jednotka, která bude obsahovat všechny důležité prvky autokatalytického systému. Ti potomci, kterým něco chybí, dříve či později zaniknou. A co když do soustavy proniknou parazité? Růst bude zpomalen až zastaven. Pouze ti „jedinci“, kteří z nějakých důvodů, třebas i náhodně, parazity postrádají, budou pokračovat v další reprodukční činnosti.
Při rozdělení napadené mateřské soustavy na menší se stává, že dceřiné nejsou úplné, některým nebyl předán parazit. Takové soustavy zůstávají čisté a mají nejvyšší šanci pro další setrvání a množení. Ohraničení celé struktury tak nakonec může významně působit i proti existenci a množení parazitů, což je účinek, který na první pohled nemusí být zcela zřejmý. V systému otevřeném, bez hranic, by šance zbavit se efektního parazita nebyla – stále by mohl zůstávat napojený na autokatalytickou soustavu, dokud by ji zcela nevyčerpal. Neexistovaly by hranice, jež by bránily jeho postupu.
Bylo pozorováno, že pro zabránění šíření parazitů či omezení jejich destruktivního působení stačí, aby hranice byly alespoň nějaké. Nemusí se tedy jednat o dokonalou bariéru, ale jako dostatečné se jeví i neúplné ohraničení spojené s umístěním replikujícího se organického komplexu do polouzavřených kanálků či dutinek minerální povahy, nebo zavedení dosud relativně propustné membrány z jednoduchých lipidů. Ty se sdružují ve váčky, které autokatalytickým soustavám dodávají potřebnou autonomii a možnost šíření.
Růst a homeostáza
Vynořuje se svět lipidových váčků obsahujících rozličné ribonukleové kyseliny. Jak je ale udržován víceméně stálý stav jejich vnitřního prostředí? V dnešních organismech a buňkách jsou membrány vybaveny početnou populací proteinových přenašečů látek, iontů a vody, které zajišťují stálost vnitřního prostředí. Jak to ale fungovalo bez nich?
Jednoduchým principem růstu váčků ve vodném prostředí je osmóza. Při osmóze se molekuly rozpouštědla (nejčastěji vody) přesouvají přes membránu do oddílu, ve kterém jsou koncentrované rozpuštěné látky – ty jsou osmoticky aktivní. Jedná se o tendenci rozpuštěnou látku co nejvíce naředit, aby koncentrace v obou částech prostoru byly nakonec vyrovnané. Jenže rozpuštěná látka přes membránu neprochází, takže je možný právě jen pohyb rozpouštědla, vody. Čím více osmoticky aktivních látek je rozpuštěno uvnitř váčku, tím více vody váček nasává z okolí. Buňky, které jsou koncentrovaným roztokem iontů, cukrů, kyselin a dalších molekul, v sobě drží tím více molekul vody, čím více je těchto osmoticky aktivních částic v cytosolu přítomno. Příjem vody
ovšem znamená jediné – růst objemu buňky.
Zvětšování buňky souvisí s tím, jak se zvyšuje množství organických molekul uvnitř váčku. To se děje v důsledku katalytické činnosti vnitřních prvků, jejímiž produkty jsou nukleotidy, cukry, aminokyseliny a krátké úseky RNA. Nasakováno je propustnou membránou více vody, takže celková koncentrace složek s osmotickou aktivitou se drží stálá, jelikož jsou vstupující vodou ředěny. Nakonec může být objem natolik velký, že se váček stává nestabilní a rozpadá se na dceřiné, což je předstupněm buněčného dělení.
Ve světě RNA není zdvojování molekul RNA dokonalé a dochází k předčasnému přerušení a ukončení kopírovacího procesu. Také se náhodně shlukují jednotlivé nukleotidy či kratší úseky RNA za vzniku spektra krátkých molekul RNA, které nevykonávají žádnou funkci a jen se ve váčku hromadí. To by samo o sobě nebylo nijak zlé, kdyby tyto molekuly neměly schopnost vázat se na funkční ribozymy. Tato vazba je však problémová, jelikož se jedná o nehotové fragmenty, které blokují fungování celého ribozymového komplexu.
Přesto do jisté míry pokračuje výroba osmoticky aktivních látek. To ovšem znamená, že roste i objem váčku, jelikož dochází ke zvýšenému příjmu vody. A nyní se děje zajímavá věc, která umožňuje zachování víceméně stálé úrovně syntézy RNA a ostatních organických molekul. Obsah buňky či váčku se ředí. Jenže v naředěném prostředí se kousky RNA vázané dosud v koncentrovaném médiu mají tendenci od katalyticky důležité RNA opět uvolnit, prostě se odmyjí, rozpustí ve vodě. Katalytická činnost ribozymů se následně obnovuje.
Bylo experimentálně prokázáno, že souhra uvedených procesů, střídání zvýšené a snížené aktivity ribozymů spojené s růstem objemu a ředěním obsahu váčku, skutečně vede k udržení v podstatě stálého stavu vnitřního prostředí a nutné úrovně katalytické činnosti. Můžeme pozorovat první kroky k samoudržování stálosti vnitřního prostředí, k homeostáze.
tento text je úryvkem z knihy
Vladimir Rudajev: Příběh buňky. Od molekul ke vzniku života a prvním organismům
Academia 2022
O knize na stránkách vydavatele
Poznámka PH: Knihu rozhodně doporučuji všem zájemcům o evoluční biologii (a biochemii).
