RNA-maailma
Yritettäessä selittää biologisen elämän syntymistä ohjaamattomasti ja tarkoituksettomasti itsestään tarvitaan jonkinlainen selitys myös abiogeneesille eli sille, mitä olisi tapahtunut ennen kuin evoluutioteorian vaatimaa perinnöllistä muuntelua oli olemassakaan. Koska yksinkertaisinkin elävä solu on suunnattoman monimutkainen, erilaiset abiogeneettiset hypoteesit pyrkivät silloittamaan elottoman kemian ja toimivan solun välistä kuilua jonkinlaisten sittemmin kadonneiden mutta periaatteessa mahdollisten välimuotojen avulla.
RNA-maailma on yksi tällainen abiogeneettinen hypoteesi; sen mukaan ensimmäinen alkukopioituja olisi ollut RNA-molekyyli tai ainakin RNA:n kaltainen molekyyli. Suhteellisen yksinkertaisuutensa vuoksi RNA-molekyyli onkin ns. tieteellisen maailmankatsomuksen puitteissa mielekkäämpi ehdokas ensimmäiseksi kopioitujaksi kuin esimerkiksi kokonainen alkusolu. RNA on myös mielekkäämpi ehdokas kuin proteiineista, DNA:sta ja RNA:sta tai edes pelkästään proteiinista ja RNA:sta muodostuva molekyylijoukko, joka tarvitsisi monesta osasta koostuessaan jonkin mekanismin pitämään kaikki osat lähellä ja saatavilla.
RNA-molekyyli on siis yksinkertaisin orgaanisista molekyyleistä rakentuva alkukopioituja, jota on pystytty ehdottamaan, ja jolla on todistettavasti myös havaittu kyky kopioida itseään. Olisiko tällainenkaan alkukopioituja sitten järkevästi ajatellen voinut syntyä ohjaamattomasti sattumalta?
Yksinkertainen alkukopioituja?
Solujen kopioituminen tapahtuu pääpiirteissään seuraavasti:
- Proteiinit kopioivat DNA:ssa olevan (proteiinien valmistukseen käytettävän) informaation RNA-molekyyliin.
- Proteiinit tuottavat RNA-molekyylin ohjeen mukaisia uusia proteiineja.
- Tuotetut proteiinit rakentavat kaikki tarvittavat solun rakennusaineet saatavilla olevista raaka-aineista.
- Tuotetut proteiinit kasaavat kaikki tarvittavat solun rakenteet tuotetuista ja saatavista rakennusaineista.
- Tuotetut proteiinit kopioivat myös DNA-molekyylin, jonka ohjeen mukaan nämäkin proteiinit on tuotettu.
Huomataan, että nykyisen elämän mahdollistamiseksi tarvitaan DNA:ta, jotta voidaan saada proteiineja. Toisaalta tarvitaan myös proteiineja, jotta voidaan saada DNA:ta. Tietyissä tapauksissa kopioiminen voidaan kuitenkin suorittaa pelkän RNA-molekyylin ja proteiinien varassa. Tällöin kuitenkin tiedon säilyminen heikkenee ja kopioitumisen tehokkuus laskee. Toisaalta tällaisessa järjestelmässä on vähemmän osia, ja tämä suhteessa yksinkertaisempi rakenne helpottaa ainakin jossain määrin sen satunnaissyntyä nykyisenlaisen DNA:ta hyödyntävän solun syntymahdollisuuksiin verrattuna. RNA:n hoitaessa sekä DNA:n että RNA:n tehtävät proteiineja tarvitaan edelleen RNA-molekyyliin tallennetun informaation toteuttamiseen.
RNA:lla on havaittu olevan samoja ominaisuuksia kuin eräillä proteiineilla. Sopivanlaiset RNA-molekyylit, ribotsyymit, kykenevät proteiinientsyymien tavoin katalysoimaan joitakin kemiallisia reaktioita. Tämän havainnon pohjalta on käyty kehittämään ideaa RNA-kopioitujasta, joka kykenisi informaation varastoimisen lisäksi hoitamaan itse myös informaation kopioimisen. Tällöin RNA-molekyyli toimisi samalla sekä "geeninä", "viestinä" että "entsyyminä". Itseään kopioiva RNA-molekyylikompleksi onkin onnistuttu älyllisesti suunnittelemaan, ja sitä on pystytty testaamaan laboratoriossa.1
Vaihe 1 - RNA rakenneosasten synty
RNA:n rakenne
Atomien värikoodi:
fosfori keltainen
happi punainen
hiili harmaa
typpi sininen
vety valkoinen
Tunnetuissa elämänmuodoissa RNA (ribonukleiinihappo, engl. ribonucleic acid) on pitkä, pienemmistä molekyyleistä rakentuva ketjumolekyyli. Sen runko muodostuu riboosi-sokereista ja fosfaateista, joita on ketjussa vuorotellen. Jokaiseen riboosiin on kiinnittynyt yksi neljästä erilaisesta typpiemäksestä. RNA:ssa nämä emäkset ovat adeniini, guaniini, sytosiini ja urasiili. Tästä riboosin, fosfaatin ja typpiemäksen muodostamasta RNA-ketjun perusyksiköstä käytetään nimitystä "nukleotidi". Nukleotidien järjestys ketjussa – viime kädessä siis emäsjärjestys – määrittää RNA-molekyylin toiminnalliset ominaisuudet.
Riboosi
Riboosi on sokerimolekyyli, joka fosfaattimolekyylin kanssa vuorotellen muodostaa RNA-ketjun rungon. Riboosia voidaan syntetisoida formaldehydistä formoosireaktiossa. Riboosia on siis mahdollista valmistaa, mutta sopivanlainen formoosireaktio edellyttää riittävän suuria pitoisuuksia juuri oikeita lähtöaineita, koska yhden riboosimolekyylin syntymiseen tarvitaan useita formaldehydimolekyylejä. Alkuliemen täytyisi siis olla selittämättömän formaldehydipitoinen, jotta nämä molekyylit voisivat mielekkäällä todennäköisyydellä reagoida juuri keskenään. Parhaissa laboratorio-olosuhteissakin riboosia syntyy kuitenkin vain n. 7 %.
Riboosi voi esiintyä useissa eri muodoissa, ja sattumakemia tuottaa näitä kaikkia. RNA-kopioitujan kannalta avaruusrakenne on kriittisen tärkeä, joten isomeriaerotkin voivat olla ratkaisevia. Nykyisessä elämässä RNA:n rakenneosana toimii D-riboosi (oikeakätinen muoto). Tällaisten optisesti puhtaiden pitkien ketjujen muodostuminen on erittäin epätodennäköistä, ja siksi onkin ehdotettu, että alku-RNA olisi voinut hyödyntää myös muita isomeerejä. Täysin mielivaltaisesti näitä erilaisia isomeerejä ei kuitenkaan voida käyttää, koska vääränmuotoiset osat aiheuttavat molekyylin avaruusrakenteessa vääränlaista mutkittelua.
Typpiemäkset
Adeniinin tuotanto syaanivedystä (HCN) on optimiolosuhteissakin vain 1 %:n luokkaa. Sitä paitsi HCN reagoi riboosin tuottamiseksi tarvittavan formaldehydin kanssa, joten näiden esiintyminen samassa liemessä vähentäisi sekä riboosin että typpiemästen tuottoa. Vaihtoehtoisesti riboosin täytyisi syntyä yhdessä liemessä ja typpiemästen toisessa, minkä jälkeen nämä seokset sekoittuisivat sopivalla tavalla. Tällainen tapahtuma olisi alkumaapallollakin ymmärrettävästi harvinainen.
| Emäs |  Adeniini |
 Guaniini |
 Sytosiini |
 Urasiili |
| Nukleotidi |  Adenosiinimonofosfaatti A |
 Guanosiinimonofosfaatti G |
 Sytidiinimonofosfaatti C |
 Uridiinimonofosfaatti U |
Sytosiinille ja urasiilille ei tunneta mitään abioottista syntymekanismia, joten alku-RNA:n olisi ilmeisesti täytynyt käyttää joitakin muita typpiemäksiä näiden tilalla.2 Sopivien raaka-aineiden ja niiden syntytodennäköisyyksien tuntemattomuus heikentää tietenkin RNA-maailma-hypoteesin uskottavuutta. Guaniinille tunnetaan syntymekanismi, mutta sen syntyminen on adeniiniakin huomattavasti epätodennäköisempää. Se vaatii myös niin korkean HCN-pitoisuuden, ettei riboosia voida synnyttää samassa liemessä, koska sen vaatima formaldehydi reagoisi syaanivedyn kanssa ja estäisi guaniinin synteesin. Guaniinin synteesi olisi optimioloissakin alle 0,1 %.
Fosfaatti
Fosfaatti sitoutuu helposti metalli-ioneihin ja painuu pohjaan. Tämä vähentää käytettävissä olevan fosfaatin määrää.
Vaihe 2 - RNA nukleotidien synty
Ketjuuntuminen
Fosfaattiin ja typpiemäkseen kiinnittyminen voi tapahtua mielivaltaisesti missä tahansa riboosin neljässä hydroksyyliryhmässä (ks. kuvan riboosisokerimolekyylin neljä punavalkoista uloketta). Samoin adeniini voi kiinnittyä mielivaltaisesti kolmessa eri kohdassa. Toisin sanoen sekä riboosin että adeniinin rakenteessa on useita kohtia, joihin muut molekyylit voivat kiinnittyä aivan yhtä helposti. Vääränlainen kiinnittyminen puolestaan vaikuttaa merkittävästi saatavan molekyylin avaruusrakenteeseen.
Molekyyleillä ei sitä paitsi ole mitään luontaista taipumusta pitkien ketjujen muodostamiseen. Kemian tunnetut lainalaisuudet johtavat reaktioita pikemminkin päinvastaiseen suuntaan, koska syntyneet ketjut pyrkivät hajoamaan, jos saatavilla on vettä. Jos kuitenkin riittävän pitkä RNA:n kaltainen molekyyli sattuisikin onnekkaasti syntymään, sen pitäisi RNA-maailma-hypoteesin tarpeisiin sopiakseen lisäksi olla emäsjärjestykseltään ja avaruusrakenteeltaan erittäin täsmällisesti määrittynyt. RNA:n tavallisiin ominaisuuksiin ei kuulu itsensä kopioiminen, vaan itseään kopioivat RNA-molekyylit ovat harvinaisia poikkeuksia.
Ongelmallinen alkuilmakehä
Geologisen todistusaineiston mukaan alkumaapallolla on mitä ilmeisimmin ollut hapettava ilmakehä,3 jollainen hajottaa hyvin vauhdikkaasti formoosireaktion raaka-ainetta formaldehydiä. Ilmakehän hiilidioksidi taas olisi liuennut veteen ja muodostanut siellä mahdollisesti syntyneiden riboosimolekyylien tehotuhoojaa: hiilihappoa. Syaanivedyn ja formaldehydin keskinäisreagointi estää puolestaan nukleotidien ja sokereiden rinnakkaissynteesin samassa liemessä.
Vaihe 3 & 4 - RNA oligomeerien ja ribotsyymien synty
Sattumanvaraisen muodostumisen todennäköisyys
Seuraavaksi pyritään arvioimaan RNA-maailma-hypoteesin uskottavuutta numeerisesti: lasketaan oletetun alkukopioitujan4 satunnaissyntytodennäköisyydelle yläraja.5 Tehdään saman tien muutama lieventävä alkuoletus, joita voinee pitää vähintäänkin reiluina:
- Ensinnäkin riboosi ja typpiemäkset syntyvät toisistaan erillisissä liemissä, jolloin syaanivety ja formaldehydi eivät häiritse toisiaan.
- Erillisten lienten yhdistymiseen liittyviä todennäköisyyksiä ei jatkossa kuitenkaan oteta huomioon vaan laskut suoritetaan kaikesta huolimatta niin kuin reaktiot tapahtuisivat samassa liemessä.
- Tehdään myös täysin epärealistinen oletus, jonka mukaan liemien olosuhteetkin ovat yhtä edulliset kuin optimaalisissa laboratorio-oloissa.
- Sopiva riboosimolekyyli syntyy siis todennäköisyydellä p(R) = 0,07.
- Sopiva adeniinimolekyyli syntyy todennäköisyydellä p(A) = 0,01.
- Riboosi voi kiinnittyä neljästä kohtaa; oletetaan, että keskimäärin joka toinen typpiemäkseen kiinnittymismahdollisuus tuottaa oikean avaruusrakenteen.
- Tällöin kukin riboosi liittyy typpiemäkseen jommankumman suotuisaksi arvioidun hydroksyyliryhmänsä kohdalta todennäköisyydellä p(R)/2 = 0,07 * 0,5 = 0,035.
- Oletetaan myös, että alku-RNA käyttää nyky-RNA:n tavoin neljän emäksen pariutumisjärjestelmää.6
- Oletetaan, että alku-RNA olisi käyttänyt jotakin helpommin saatavaa typpiemästä sytosiinin ja urasiilin lisäksi myös guaniinin paikalla.
- Koska potentiaalisten typpiemästen syntymisen todennäköisyyttä ei tunneta, oletetaan, että kaikki neljä tarvittavaa typpiemästä syntyvät yhtä todennäköisesti kuin adeniini: p(X) = 4 * p(A) = 4 * 0,01 = 0,04.
- Oletetaan myös, että keskimäärin joka toinen näistä emäksistä sopisi kullekin paikalle RNA-ketjuun, jotta ketju kykenisi kemiallisten ominaisuuksiensa ja avaruusrakenteensa puolesta kopioitumaan.
- Lisäksi oletetaan, että kunkin adeniinin kolmesta mahdollisesta riboosiinkiinnittymiskohdasta kaksi olisi toimivan rakenteen saavuttamiseksi suotuisia.
- Oletetaan sama todennäköisyys adeniinin lisäksi myös muille typpiemäksille: 2p(X)/3 ≈ 0,67 * 0,04 ≈ 0,02667.
- Oletetaan vielä fosfaattien aina tarvittaessa sopivasti syntyvän, ilmaantuvan paikalle ja liittyvän riboosimolekyyleihin asianmukaisesti, niin että RNA-runko syntyy siltä osin varmasti.7
| n | p(RNA) |
|---|---|
| 1 | 4,7 * 10-4 |
| 5 | 2,2 * 10-17 |
| 10 | 4,9 * 10-34 |
| 15 | 1,1 * 10-50 |
| 20 | 2,4 * 10-67 |
| 25 | 5,3 * 10-84 |
| 30 | 1,2 * 10-100 |
| 35 | 2,6 * 10-117 |
| 40 | 5,8 * 10-134 |
| 45 | 1,3 * 10-150 |
| 50 | 2,8 * 10-167 |
| 75 | 1,5 * 10-250 |
| 90 | 1,6 * 10-300 |
Matematiikkaa hyödyntäen nämä oletukset johtavat seuraaviin tuloksiin:
- Kunkin soveliaan nukleotidin muodostumismahdollisuudeksi saadaan yhden typpiemäksen ja yhden riboosimolekyylin suotuisan keskinäiskiinnittymisen todennäköisyys: p(Nukl) = 2p(X)/3 * p(R)/2 ≈ 0,02667 * 0,035 ≈ 9,33 * 10-4
- Itsekopioivuusfunktion kannalta sopiva molekyylirakenne syntyy (oletus 7.) seuraavalla nukleotidikohtaisella todennäköisyydellä: p(Ikf) = p(Nukl)/2 = [2p(X)/3 * p(R)/2]/2 ≈ 9,33 * 10-4 * 0,5 ≈ 4,7 * 10-4
- Suotuisan ketjumolekyylin syntytodennäköisyys pienenee ketjupituuden kasvaessa: p(RNA) = [p(Ikf)]n, missä
- n on ketjun pituus nukleotideinä ja
- p(RNA) tämänpituisen itsekopioituvan RNA-ketjun satunnaissyntytodennäköisyys.
Eripituisten ketjujen näin laskettuja satunnaissyntytodennäköisyyksiä on esitetty oikealla olevassa taulukossa.
Pienimmän tunnetun RNA:n ketjuuntumista katalysoivan ribotsyymin pituus on 165 nukleotidia. Näinkin "lyhyellä" ribotsyymillä kopioimisen tarkkuus on merkittävästi huonompi kuin suuremmilla kopioitujilla. Eräs 189 nukleotidia pitkä ribotsyymi on jo niin tarkka, että kykenee kopioimaan RNA:ta 98,9 %:n tarkkuudella; se siis tuottaa identtisen kopion joka kahdeksas kerta.8 Ei ole tieteellistä näyttöä siitä, että mikään alle 150 nukleotidia pitkä RNA-molekyyli kykenisi katalysoimaan omaa kopioitumistaan.
Suhteuttaaksemme lukuja johonkin otamme niille vertailukohdan: Koko maailmankaikkeudessa on noin 1065 atomia. Lisäksi koko universumissa on voinut tapahtua korkeintaan 10150 fysikaalista tapahtumaa. Eli vaikka joka ikinen maailmanhistorian fysikaalinen tapahtuma olisi esitetyn kaltaisissa epärealistisen edullisissa olosuhteissa tapahtuva alkuliemen kemiallinen reaktio, ei olisi silti odotettavissa, että liemessä syntyisi edes yhtä sopivaa yli 45 nukleotidin RNA-molekyyliä.
Ensimmäinen kokeellinen todiste itse-replikoituvan RNA molekyylin synnystä?
Helmikuussa 2009 tutkijat Tracey A. Lincoln and Gerald F. Joyce julkaisivat arvostetussa Science -lehdessä tutkimustuloksensa katalyyttisistä RNA molekyyleistä1. Tutkimus oli otsikoitu nimellä "Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme" (suom. Itseään ylläpitävä RNA replikaatio). Kokeissaan Joyce ja Lincoln loivat RNA katalyyttiparin, joista kumpikin kykeni replikoimaan toisen sopivien rakenneosasten läsnäollessa ilman proteiinien läsnäoloa. Heidän mukaansa molekyylit kykenivät lisäksi mutatoitumaan ja siten kehittymään edelleen vielä paremmiksi replikaattoreiksi. Tuloksia on pidetty merkittävä askeleena RNA maailman tutkimukselle ja osoituksena sille, että itse-replikoituva RNA-systeemi on mahdollinen.
Joitakin kriittisiä kommentteja9
- Systeemi koostuu vain katalyyteistä ja substraateista. Kilpailevia molekyylejä ja reaktioita ei sallittu jolloin analogia luontoon puuttuu.
- Reaktio-olosuhteet ja seokset ovat kaukana abiogeneettisista.
- Substraatteina toimivien oligonuktelotidien 5'pääty oli esivalmistettu kondensaatioreaktiota varten liittämällä siihen korkea-energininen trifosfaattiryhmä. Yksitäinen fosfaattiryhmä reagoi paljon hitaammin.
- Reaktiot tapahtuivat 42oC lämpötilla (hienosäätö)
- Sitounutta entsyymiparia kohti muodostuu vain yksi sidos. Loput täytyy esikoota käsin.
- Replikaatio vaatii 4 spesifiä, ennalta valimistettua RNA oligomeeriä monomeerien sijaan. Mikäli näitä substraatteja (oligomeerejä) ei ole saatavilla reaktio pysähtyy.
Katso myös
ApologetiikkaWiki
Internet
- Prof. John Waltonin esitelmä aiheesta on katsottavissa ja ladattavissa osoitteessa http://edinburghcreationgroup.org/originoflife.xml.
Viitteet
- > 1,0 1,1 "Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme" (2009). Science 323 (5918): 1229–1232. doi:. ISSN 0036-8075.
- ^ Orgel, L.: The Origin of Life on Earth. Scientific American, 1994, nro 4, s. 81.
- ^ Tiede.fi: Nuoren maan ympärillä oli happea 24.8.2006. Sanoma Magazines Finland. Viitattu 24.12.2010.
- ^ tässä siis oman kopioitumisensa katalysoivan RNA-molekyylin
- ^ Pyritään siis arvioimaan oletetun alkukopioitujan spontaanin synnyn todennäköisyyttä käyttäen arvioiden lähtökohtana "yksinkertainen alku-RNA-hypoteesia".
- ^ Myös kahden emäksen pariutumisjärjestelmä voisi tulla kysymykseen, mutta tällaisen molekyylin mahdollisesta entsyymiaktiivisuudesta ei ole mitään näyttöä. Useammankin emäksen järjestelmä saattaisi toimia, mutta tällöin molekyylistä tulisi vielä huomattavasti epätodennäköisempi.
- ^ Näihin tapahtumiin liittyviä epätodennäköisyyksiä ei siis oteta laskuissa huomioon.
- ^ Johnston, W. K. & Unrau, P. J. & Lawrence, M. S. & Glasner, M. E. & Bartel, D. P.: "RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension". Science 292, 1319 (2001)
- ^ Luskin, Casey (9.2.2009). "Origin of Life Researchers: Intelligent Design of Self-Replicating RNA Molecules Refutes Intelligent Design". Evolution News and views. Viitattu 2011-10-22.
