Новости и мнения

Мнение: что такое жизнь?

Создание простейшего из возможных живых организмов искусственно может дать представление о том, что такое жизнь.

Определение жизни – такая же огромная проблема, как и само явление жизни. Можно легко собрать из литературы более 100 различных определений, ни одно из которых не является достаточно удовлетворительным для широкого распространения. Что должно содержать определение, чтобы оно подходило для всех видов наблюдаемой жизни? Люди, животные, растения, микроорганизмы. Вирусы также принадлежат жизни?

Есть две тенденции в попытках определить жизнь. Один из них – сформулировать всеобъемлющее определение, учитывающее атрибуты и проявления жизни на всех уровнях сложности. 1 Другая тенденция состоит в том, чтобы сводить атрибуты только к тем, которые являются общими для всех форм жизни. 2 Но мы не знаем, каким был бы «упрощенный», с которого все, возможно, и началось. Дарвин размышлял 140 лет назад, еще не зная о нуклеиновых кислотах: «… мы могли бы представить в каком-нибудь теплом маленьком пруду, где присутствуют все виды аммиака и фосфорных солей, света, тепла, электричества и т. Д., Что белковое соединение было химически сформирован, готов подвергнуться еще более сложным изменениям ». Если бы мы могли идентифицировать и охарактеризовать это« теплое маленькое прудовое »существо, его особенности могли бы предложить минималистическое определение жизни.

Вирусы просты, часто имеют только белковое покрытие и одну или несколько молекул нуклеиновых кислот. Но это только минутная часть их описания. Для размножения им требуется вся сложность высших организмов, в которых они проживают. Но «индивидуальность» вируса закодирована в его геноме. Вирусы не вторгаются в какой-либо произвольный организм, а скорее предназначаются для определенных видов хозяев, продиктованных собственными генами вируса.

Тем не менее, вирус является хорошим ключом к поиску упрощенных. Впервые это оценило Сол Шпигельман в конце 60-х, который наблюдал процесс самовоспроизводства вирусной РНК путем имитации внутриклеточных условий в пробирке. 4 Все, что требовалось для репликации РНК, – это строительные блоки – нуклеотиды, взятые с полки лаборатории, и очищенная природная протеиновая РНК-репликаза, кодируемая в вирусной РНК и продуцируемая клетками-хозяевами. Система не только бесконечно копировала РНК, но и демонстрировала способность мутировать, изменять последовательность РНК до любой степени отличия от исходной вирусной РНК.

Другой чрезвычайно простой системой, встречающейся в природе, являются вироиды, наиболее примитивные возбудители болезней растений, которые состоят только из РНК. Они вторгаются в растение и заставляют его производить РНК вироида. Эта РНК не кодирует какие-либо белки, а служит только для направления экспрессии соответствующих белков-хозяев и клеточных процессов. То есть вироид, если рассматривать его как живой организм с нетрадиционным жизненным циклом, представляет собой просто РНК с последовательностью, задающей его собственное распространение (через хозяина), все ингредиенты и копирующие устройства, предоставляемые клетками хозяина.

Оба эти примера не являются простейшими, поскольку они требуют ферментов, предоставляемых более сложными организмами. Но не могли бы мы искусственно синтезировать репликазу или упрощенную версию? Как насчет удаления репликазы и полагаться только на РНК? В конце концов, РНК является «рибозимом» со многими каталитическими свойствами, типичными для белковых ферментов. Если какая-то примитивная версия РНК (или, возможно, даже ДНК ) способна к самовоспроизведению, и соответствующие мономерные единицы, необходимые для синтеза, могут быть получены абиотически или искусственно в некоторых разумных условиях, имитирующих первичные условия – нуклеотидные аналоги абиотического синтеза природного аминокислоты, наблюдаемые Стенли Миллером в его модельной системе ранней земной атмосферы, например 5, – сама РНК, возможно, станет самым простым живым существом.

Остановим ли мы здесь стремление редукционистов к репликации РНК или продолжим еще дальше, к разнообразию абиотических синтезов, зависит от того, что мы определяем как жизнь. Граница между жизнью и не-жизнью может, на самом деле, быть помещена где-нибудь в пределах области абиотических процессов. Олигонуклеотиды, олигопептиды, нуклеиновые основания, аминокислоты, сахара – все это можно считать очень примитивными и упрощенными формами жизни, если определение распространяется (и упрощается) на самые элементы. До 1828 года, когда органические вещества можно было найти только в живой материи, господствовала популярная идея «жизненной силы». В те дни можно было провести границу жизни / не жизни при первом появлении маленьких молекул «жизненной силы» (то есть органических). Абиотический синтез мочевины Фридрихом Велером в 1828 году разрушил это общее убеждение.

Гипотетический процесс репликации примитивной РНК имеет степень сложности, которая отделяет его от простой химии: он копирует себя и позволяет копировать ошибки, которые сами копируются в будущих поколениях. Другими словами, это процесс самовоспроизведения с вариациями (как в системе Шпигельмана), а не просто органический синтез. Это само определение жизни, предложенное развивающейся теорией ранней молекулярной эволюции. 6,7 Та же самая формула получена анализом «количества слов», который дает наиболее часто используемые слова из более чем 100 известных определений жизни (2). Недавнее открытие о том, что и гены, и геномы, по-видимому, появились первоначально как простые тандемные повторы с последующими мутациями, увеличивающими их сложность 8,9, делает такое определение еще более привлекательным. Можно рассматривать геном как молекулярную среду обитания для появления «новой жизни» в форме расширяющихся и мутирующих простых повторов. В этом смысле и согласно приведенному минималистичному определению жизнь никогда не прекращала возникать, начиная примерно 4 миллиарда лет назад с репликации РНК 6,7 и продолжая по сей день в геномах каждого живого организма.

Эдуард Николаевич Трифонов – профессор Университета Хайфы в Израиле и Университета Масарика в Чешской Республике. С ним можно связаться по электронной почте: trifonov@research.haifa.ac.il .

1. J. Gayon, C. Malaterre, M. Morange, F. Raulin-Cerceau и S. Tirard (приглашенные ред.). Спецвыпуск: определения жизни. Биосферы Origins Life Evol, 40 , 119-244, 2010.

2. Е.Н. Трифонов, «Словарь определений жизни, предлагает определение». Журнал Biomolecular Structure & Dynamics, 29, 259-266, 2011.

3. С. Дарвин, как цитируется М. Кальвин (1969) Химическая эволюция. Молекулярная эволюция к происхождению живых систем на земле и в других местах. Кларендон, Оксфорд.

4. DL Kacian , S. Spiegelman , DR Mills , FR Kramer, «Реплицирующая молекула РНК, подходящая для детального анализа внеклеточной эволюции и репликации». Труды Национальной академии наук США , 69, 3038-3042, 1972.

5. С. Л. Миллер, «Производство аминокислот в возможных примитивных земных условиях». Science , 117, 528-529, 1953.

6. Трифонов Е.Н. Журнал биомолекулярной структуры и динамики, 22, 1-11, 2004.

7. Трифонов Е. Н., Исследования в области микробиологии, 160, 481-486, 2009.

8. Корен З., Трифонов Е.Н. Роль вечных триплетных экспансий в эволюции белка. Журнал молекулярной эволюции , 72, 232-239, 2011.

9. З. М. Френкель, Е. Н. Трифонов, «Происхождение и эволюция генов и геномов. Критическая роль триплетных разложений ». Представлено в Журнал биомолекулярной структуры и динамики .

Обсуждение

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *