DNA håller genetisk kod, men vad läser det? "Gene Machine" Författare förklarar

Kärnan som DNA är för oss själva är den kända dubbelhelixen kärnan i studien av biologi världen över. Men dessa grundläggande molekyler kan inte fungera ensamma. DNA lagrar källkoden och data för att bygga våra kroppar, och dess upptäckt öppnade dörren till otaliga nya tråden av forskning, bland annat frågan "Vilken maskin läser vår kod?"

Nobelprisvinnande biolog Venki Ramakrishnan unravels resan för att driva svaret i Gen Machine: Raset att dechiffrera Ribosoms hemligheter. Han lägger ut sin ambitiösa resa inför osäkerhet och förklarar inte bara vetenskapen med tydlig klarhet, utan ger också perspektiv på den komplexa politiken som omger kunskapens ödmjukhet.

Nedan finns ett utdrag ur Genmaskinen, som publicerades i veckan av Basic Books.

Kommer från den primordiska misten

Hur livet började är en av biologins stora återstående mysterier. Allt liv kräver någon form av energi i rätt kemisk miljö. Vissa människor har påpekat att mycket av den kemi som livet använder liknar den typ av kemi som förekommer vid kanterna av geotermiska ventiler i havet. Även om detta bara är en slump som andra har hävdat är det användbart att tänka på vilka villkor som gjorde det möjligt för livet att framstå. Men fundamentalt är livet mer än en uppsättning kemiska reaktioner. Det är möjligheten att lagra och reproducera genetisk information på ett sätt som gör att komplexa livsformer kan utvecklas från mycket primitiva. Med detta kriterium är det ingen tvekan om att även virus lever, trots att människor brukade ifrågasätta det eftersom de behöver en värdcell att reproducera. Men vilken som helst som har blivit sjuk från ett virus och upplevt att hans eller hennes kropp kämpar för en infektion skulle inte tvivla på att virus lever.

Problemet var att DNA i nästan alla former av liv bär genetisk information, men DNA själv var inert och gjordes av ett stort antal proteinenzymer, vilket krävde inte bara RNA utan även ribosomen för att göra dessa enzymer. Dessutom framställdes sockret i DNA, deoxyribos, från ribos av ett stort komplicerat protein. Ingen kunde förstå hur hela systemet kunde ha börjat. Forskare som tänkte på hur livet började, som Crick, Leslie Orgel vid Salk Institute i La Jolla och Carl Woese vid University of Illinois, föreslog att livet kanske började med RNA. Vid den tiden var det rent spekulation - nästan science fiction - eftersom RNA inte var känt för att kunna utföra kemiska reaktioner.

Cechs och Altmans upptäckt förändrade allt detta. RNA var nu en molekyl som kunde bära information som en basföljd, precis som DNA, och kunde också utföra kemiska reaktioner som proteiner. Vi vet nu att byggnadsblocken av RNA kan göras från enkla kemikalier som kunde ha funnits i jorden för miljarder år sedan. Så det är möjligt att föreställa sig hur livet kan ha börjat med massor av slumpmässigt gjorda RNA-molekyler tills några av dem kunde reproducera sig själva. När detta hände kan evolution och naturligt urval göra det möjligt att göra mer och mer komplicerade molekyler, så småningom även något som är så komplicerat som en primordial ribosom. Idén om en primordial RNA-värld, en term som först gjordes av Wally Gilbert, blev allmänt accepterad.

Ribosomen kan ha börjat i en RNA-dominerad värld, men eftersom den gjorde proteiner, blev den en trojansk häst. Proteiner visade sig vara mycket bättre att göra de flesta typer av reaktioner än RNA, eftersom deras aminosyror kan ge mer varierad kemi än den enklare RNA-molekylen. Detta innebar att när proteiner gjordes utvecklades de gradvis för att ta över de flesta av RNA-molekylernas funktioner runt tiden och mycket mer. På så sätt förvandlade de livet som vi känner till det. Detta kan också förklara varför även om ribosomen har mycket RNA, är enzymerna som replikerar DNA eller kopierar det till RNA nu helt framställda av proteiner. Detta beror förmodligen på att användningen av DNA för att lagra gener kom senare; vid den tiden hade proteiner blivit utbrett och utförde de flesta reaktionerna i cellen.

Naturligtvis förklarar detta inte hur gener som bär en kod för att göra proteiner kom till. Det bästa gisset är att en tidig form av ribosomer bara gjorde korta sträckor av slumpmässiga peptider, vilket bidrog till att förbättra RNA-enzymerna som var runt då. Men därifrån, hur gener uppstod som ledde instruktioner för att göra proteiner som hade aminosyror strängade ihop i en mycket specifik ordning var ett skott och är fortfarande ett av livets stora mysterier. Och det skulle i sin tur innebära att förutom den stora underenheten skulle många andra element behöva uppstå: mRNA att bära den genetiska koden, tRNA: er för att ta med aminosyror och den lilla subenheten för att tillhandahålla en plattform för mRNA och tRNA att binda. Men före upptäckten av RNA-katalys kunde människor inte se hur systemet kunde ha börjat, även i princip.

Utdrag från Gene Machine: Raset att dechiffrera Ribosoms hemligheter av Venki Ramakrishnan. Copyright © 2018. Publicerad av Basic Books