Таємниця таємниць: у пошуках "протоклетки"

Таємниця таємниць: у пошуках "протоклетки"

Аж до другої половини XVII століття освічені люди вважали, що деякі живі організми самозарождаются. Наводилися приклади: якщо кинути сире м'ясо, в нім з'являться личинки мух. Навіть учені були упевнені, що за допомогою спеціальної методики можна отримати гомункулуса — штучну істоту, що народжується безпосередньо з суміші різних речовин. Згодом було доведено: живе походить тільки від живого. Але тут же виникло інше питання: а з чого сталася перша жива істота?

У бруді народжені

У другій половині XVII століття було зроблено два відкриття, які зробили вирішальний вплив на формування біології. По-перше, голландський натураліст Антони ван Левенгук сконструював мікроскоп, який дозволив побачити світ найдрібніших одноклітинних істот. По-друге, італійський лікар Франческо Реди шляхом наочного експерименту з двома глиняними горщиками показав, що личинки мух з'являються на м'ясі тільки в тому горщику, який відкритий, тобто їх відкладають самі мухи. При цьому виникла плутанина інтерпретації результатів. Якщо досвід Реди доводив, що складні організми можуть піти тільки від таких же складних організмів, то спостереження Левенгука, навпаки, наводив на думку, що найдрібніші прості якраз і можуть самозарождаться з "бруду".


Спори натуралістів досягли такого напруження, що в 1860 році Французька академія наук запропонувала премію будь-кому, хто зможе вирішити питання. Через чотири роки Луї Пастер представив результати своїх дослідів з кип'яченням бульйону, що показали, що якщо бульйон зберігати в запаяній колбі, то мікроорганізми в нім не з'являються — отже, ні про яке самозародження говорити не доводиться. У результаті запанувала помилкова теоріявіталізм), що живе засноване на якихось інших хімічних елементах і розвивається за своїми особливими законами. Подальші дослідження, у тому числі відкриття матеріального носія спадкової інформації в ДНК, спростували цю теорію.

Загальний предок

На початку ХХ століття завдяки теорії еволюції Чарльза Дарвіна і приголомшуючим досягненням палеонтологів, що виявили цілий світ вимерлих тварин учені дійшли висновку, що життя з'явилося на Землі в незапам'ятні часи і відтоді еволюціонувала від простіших організмів до складніших. І, ймовірно, уся різноманітність біологічних видів пішла від "протоклетки", яка навіть отримала власне ім'я — ЛукаLUCA від Last Universal Common Ancestor, останній універсальний загальний предок).

Напрошувалася ідея, що "протоклетка" самозародилась на древній Землі, вийшовши з комбінації органічних молекул під впливом агресивних чинників довкілля. Начебто залишалося просте завдання — відтворити ці чинники в лабораторних умовах і подивитися, що народиться з "первинного бульйону" активних хімічних речовин. Таку теорію відстоював, наприклад, радянський біохімік Олександр Опарин. Реальні експерименти по відтворенню умов древньої Землі в 1953 році провели американські учені Стенлі Міллера і Гарольд Юри; у підготовці експерименту також брав участь майбутній великий популяризатор Карл Саган. В результаті були отримані прості амінокислоти, проте складніші біохімічні структуринуклеотиди і білки) так і не з'явилися.

Пізніші дослідження показали, що біохіміки не враховують безліч чинників. Наприклад, сьогодні вважається, що протоклетка могла сформуватися не в "первинному бульйоні", а в жерлі невеликого підводного вулканутакі вулкани називають "чорними курцями"), оскільки там йдуть інтенсивніші хімічні реакції. З'ясувалося, що і наші уявлення про древню Землю далекі від повноти: наприклад, буквально днями палеокліматології визначили, що в епоху зародження життя атмосферний тиск на нашій планеті був удвічі нижчий, ніж сьогодні, відповідно і температура кипіння води була значно нижчаблизько +58 °С). І так далі.

Тому учені вирішили зайти з іншого боку. Технологія секвенування генома останнім часом подешевшала на порядки, і різні наукові групи займаються розшифровкою послідовностей ДНК самих різних видів живих істот. До справжнього моменту повністю прочитані геноми понад дві сотні багатоклітинних тварин, включаючи людину і неандертальця. На наших очах народилася нова наука — порівняльна геномика, яка дозволяє розгадати багато загадок еволюції, у тому числі і реконструювати початковий геном "протоклетки". Наприклад, за рахунок порівняння ядерної ДНК достовірно встановлено, що загальний предок усіх тварин мав як мінімум 8430 геніву сучасної людини їх близько 25 тисяч). Дослідження в цьому напрямі тривають, і чим більше послідовностей ДНК прочитані, тим ясніші представлення ми матимемо про те, як виглядав початковий геном.

Мінімальний геном

Третій можливий шлях запропонувала команда американця Крейга Вентера, що прославився альтернативнимі дешевшим) проектом розшифровки генома людини і створенням першої синтетичної одноклітинної істоти. Учені розібрали геном Mycoplasma mycoides — бактерії, яка живе у великій рогатій худобі з метою виявити "чистий кістяк" генетичних інструкцій, що роблять неживе живим. В результаті вийшов крихітний одноклітинний організм під назвою syn3.0, який містить всього 473 генимінімальний природний геном самостійного організму складається з 517 генів і належить Mycoplasma genitalium — мікробу, що живе в сечостатевій системі людини).


Здавалося б, пора святкувати перемогу, але замість цього група Крейга Вентера наштовхнулося на перешкоду, яку доки не змогла здолати. Коли учені "демонтували" геном Mycoplasma mycoides до "межі життєздатності", вони розраховували, що зможуть зрозуміти призначення 90% генів. І дійсно їм вдалося виявити послідовності, які відповідають за виробництво білків, за точною передачу спадкової інформації, за формування клітинних мембран. Проте, коли робота була закінчена, то виявилося, що кількість генів, значення яких для організму має критично важливе значення, але які до того вважалися "сміттям", досить значно — 149, тобто практично третина від загального числа. Учені змогли приблизно класифікувати 70 з них по аналогії з ДНК інших мікроорганізмів, проте функція решти 79 генів залишається загадкою."Ми не знаємо, що вони дають і чому вони мають важливе значення для життя, — заявив Крейг Вентер. — Можливо, вони роблять щось тонше, поки не очевидне і не оцінене у біології".

Гомункулуси майбутнього

Виходить, що наука сьогодні не здатна зрозуміти, як працює навіть елементарний генетичний апарат. Тому не може бути упевненості в тому, що учені зуміють коли-небудь реконструювати "протоклетку". Таємниця походження життя залишиться таємницею назавжди.

Втім, групу Вентера не лякають виниклі труднощі. Значення "сміттєвих" генів можна визначити, наприклад, впроваджуючи їх у вивчені одноклітинні організми і спостерігаючи за появою нових властивостей. Можна спробувати замінити їх якимись іншими генами, функція яких відома, і подивитися, як така "химера" мінятиметься при розмноженні.

Робота буде продовжена, адже якщо вийде розібратися, як функціонує простий організм, то учені зможуть пізнати саму суть життя і навчитися з нуля створювати істот, яких ніколи не було в природі або які давно вимерли. І тоді нас чекають справжні чудеса.

Пабліш Чарт