Előfizetés a lapra

Miért éppen sejteken alapul a földi élet?

A hét kutatója, biológia, evolúció, interjú, Kitaibel, Kitaibel 2017

2017/01/21

2016. december 9-én az egyik legrangosabb tudományos lap, a Science hasábjain jelent meg egy tanulmány, amelynek francia és japán kutatók mellett három magyar társszerzője is volt: Kun Ádám, Szilágyi András és Szathmáry Eörs. A cikkben egy olyan kutatásról számolnak be, amely során frappánsan kiegészítette egymást kísérletezés és modellezés. A kutatók bebizonyították, hogy az élet keletkezésének egyik lehetséges útja működik laboratóriumi körülmények között. Minderről Kun Ádámot kérdeztük egyik munkahelyén, az ELTE lágymányosi campusán.

– Mikorra teszik az evolúcióbiológusok az élet keletkezését a tudomány mai állása szerint?

– Nem tudjuk pontosan meghatározni. 4,2 milliárd évvel ezelőtt már bizonyos, hogy volt folyékony víz a Földön; a legkorábbi, életre utaló fosszíliák 3,8 milliárd évesek. Ennek alapján valamikor a kettő között keletkezett az élet; én 4 milliárdnál korábbi időpontot mondanék. De ez csak becslés, mivel ezeknek a folyamatoknak nem maradt nyoma.

– Kollégája, Szathmáry Eörs fontos elméletekkel járult hozzá az evolúcióbiológiához. John Maynard Smith-el közös könyveiben ír az „RNS-világról” is. Miben különbözik a DNS-től az RNS? Miért az RNS alakult ki először s mit érdemes tudni az egykori RNS-világról?

– Az RNS (ribonukleinsav) és a DNS (dezoxiribonukleinsav) molekulája között a különbség abból adódik, hogy a vázban az RNS esetében eggyel több hidroxilcsoport van, illetve az információt kódoló részben timin helyett uracil található. Ezek a különbségek a DNS-t sokkal stabilabb molekulává teszik. Az élet jelenlegi formáiban lényegében RNS-egységekből, szakszóval monomerekből alakulnak ki a DNS monomerjei, ezért úgy gondoljuk, hogy az RNS-molekula az ősibb. A hidroxilcsoporttal csökkentett monomer más módon valószínűleg nem is tudna létrejönni. Az RNS-világ hipotézise abból fakad, hogy az RNS a DNS-hez hasonlóan információt képes tárolni. Egyes vírusok, mint például az AIDS-et is okozó HIV-vírus, RNS-ben tárolják a genetikai információjukat, ezeket RNS-vírusoknak nevezzük. Elképzelhető, hogy ehhez hasonlóan az ősi sejtes élőlények is RNS-ben tárolták az információkat. A ’80-as évek eleje óta tudjuk, hogy az RNS-molekulák enzimként is tudnak működni, nevük találóan: ribozimek. Az enzimek egy-egy kémiai reakciót visznek véghez – katalizálnak – a szervezetben. Azóta sok ilyen RNS-enzimet sikerült felfedezni, illetve mesterségesen létrehozni.

– Tehát a jelenleg érvényes elmélet szerint az élet kialakulásának idején először az RNS-ek jöttek létre, és utána egy „fejlettebb” szint lehetett a DNS, majd a DNS-t is használó fajok kiszorították a csak RNS-re épülő élőlényeket.

– Igen, valószínűleg az RNS volt az első, és egyszerre működött információhordozóként és enzimként is. Ezt később kiszorította a fehérje–RNS világ, amikor fehérjék váltak katalizátorokká és az RNS már csak információhordozó maradt. A legutolsó lépés lehetett az, hogy DNS-alapú információhordozóra váltottunk.

– Ezt a korszakot nagyon nehéz vizsgálni, hiszen szinte egyáltalán nincsenek megmaradt tárgyi emlékek, fosszíliák, s emiatt modellekkel és kísérletekkel próbálják kitalálni, hogy akkoriban milyen folyamatok zajlottak le. Milyen kísérletekről és modellekről van szó?

– A kérdés elején megfogalmazott probléma miatt mi egyáltalán nem is azt vizsgáljuk, hogy milyen lehetett akkor egy sejt vagy az élet felé kacsingató „valami”, hanem hogy egy bizonyos rendszer működhet-e úgy, ahogy azt mi kitaláltuk. Szathmáry Eörs úgy szokta mondani, hogy két kérdésünk van az élet keletkezésével kapcsolatban. Az egyik a struktúra, azaz valami működhet-e biokémiailag; a másik a dinamika, ami lényegében a részek egymásra hatása, azaz ökológia. A következő kérdést vizsgáltuk: együtt tud-e élni egy enzim, amelyre szüksége van a sejtnek, valamint az enzim mutánsai, amelyek paraziták? Parazita alatt azt értjük, hogy elfogadja a sejtnek mindazt a katalitikus aktivitását, ami a sejtet működteti, míg maga semmiképpen nem járul hozzá a saját anyagcseréjéhez, csak egyszerűen másolódik.

– Ha jól értem, tulajdonképpen egy leegyszerűsített sejtet hoztak létre. Ennek egyik fő eleme egy hártya, amely elválasztja a „mesterséges sejtet” a külvilágtól. Ebbe tettek bele RNS-t, és ezeken a miniatűr gömbökön belül vizsgálták kis léptékben az evolúciót, vagyis hogyan változnak meg az egymást követő generációk?

– Ma már van arra technikai módszer, hogy nagyon kicsi vízcseppet hozzunk létre, amelyet egy hártya, egy lipidmembrán vesz körül. Ebbe a vízcseppbe rakunk bele RNS-molekulákat és mindent, ami az RNS másolásához kell. A kis gömböcskékből jó sokat bele lehet tenni a rendszerbe, és a gömbökön belül másolódik az RNS. Azt néztük, hogy ebben az elegyben hogyan változik a számunkra érdekes enzim és a „rossz” másolatainak, a parazitáknak az aránya. Tehát egyrészt van az információhordozó, az RNS, továbbá van egy enzim, amely másolja az előbbit, és közben még egy biokémiai folyamatnak is le kell játszódnia. Ha végbement a reakció, megváltozik a molekula fluoreszkálása.

Mindenki ismeri az aranyos színes figurákat, amelyeket ha nappal fényre tesz az ember, este fura, kísérteties fényben tündökölnek. Itt is valami ilyesmiről van szó. Megvilágítjuk az RNS-molekulákat, és később másfajta színű fényt bocsátanak ki. A kis cseppeket annak alapján válogattuk, szelektáltuk, hogy mennyi molekulát voltak képesek átalakítani. Az átalakított molekulák mennyiségét a fluoreszkálásuk segítségével tudtuk nyomon követni. A cseppek a sorban elfoglalt helyük alapján azonosíthatók. Egy kamera veszi őket és ezáltal megszámolhatók –­ ezt számítógép végzi. Azokat a cseppeket tartottuk meg, amelyek esetében sok reakció ment végbe. „Nekik” engedtük meg, hogy a következő generáció szülei legyenek. Így működtetve a rendszert, stabilan fennmaradt az információ is, de megmaradtak a paraziták is. Együtt tudtak élni, tehát nem veszett el az információ. Ha viszont nincs ez a szelekció, illetve amikor nem kis cseppekbe raktuk bele az összetevőket, hanem lényegében egy kémcsőbe tettük az egész reakcióelegyet, akkor a paraziták elözönlötték a rendszert, és az értékes információ elveszett.

– Tehát azt bizonyították, hogy ilyen elkülönülő egységek, cseppek kellenek ahhoz, hogy a folyamat folytatódjon.

– Igen. Miért volt fontos, hogy sejtes élet jöjjön létre? Miért fontos a sejt peremén a hártya? Erre kerestük a választ. Nos, erre az a magyarázat, hogy a membrán egy egységbe zárja az információt és az összes katalizátort, így azok nem tudnak szétfolyni. Ezáltal lényegében egy csoportot alkotnak, amelyben jól kell együttműködniük.

– A kísérletükhöz az is szükséges volt, hogy kontrollált körülmények között tudjanak ilyen nagyon pici „sejteket”, cseppeket létrehozni.

– Egy Párizsban lévő laboratórium technikai újításai révén ma már nagyon pici cseppeket lehet manipulálni. Ki tudják választani, hogy melyikre van szükség, melyikre nincs. Tartsuk észben, hogy ezek nagyon-nagyon pici cseppek. A mi feladatunk a rendszer elméleti elemzése, modellezése volt. Ahogy mondtam, ez részben ökológia, hiszen a molekulák túlélését, a környezethez való viszonyát kutattuk. Mi magyar társszerzők modellekkel foglalkozunk, és a kezdeti számításokkal bebizonyítottuk, hogy ez a rendszer tényleg működhet ilyen formában. Majd megkaptuk a kísérleti eredményeket, és „felparamétereztük” a modelljeinket. Ezáltal olyan paraméterekre is tudunk jóslást adni, amelyeket kísérletben nagyon drága vagy lehetetlen lett volna lemérni. Szathmáry Eörsnek még a ’80-as évek végén, ’90-es évek elején volt egy hipotézise, egy modellje. A mostani kísérlet bebizonyította, hogy tényleg működik, ha azt a valóságban megvalósítjuk. A modellel pedig még egy kicsit tovább tudtuk vinni a rendszert, és újabb hipotéziseket állítunk fel arra, hogy mi módon fejlődhet tovább egy kezdetleges élő rendszer.

BAJOMI BÁLINT

2017/1