Evolution In Einer Flasche: Synthetisches Leben Kommt Der Realität Näher
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Anonim

Selbstreplizierende RNAs bringen die Wissenschaft um einen weiteren Schritt in Richtung künstliches Leben.

Gerald F. Joyce gibt zu, dass er, als er die Ergebnisse des Experiments sah, versucht war, die weitere Arbeit einzustellen und die Ergebnisse sofort zu veröffentlichen. Nach Jahren des Versuchs hatten er und seine Schülerin Tracey Lincoln endlich ein paar kurze, aber leistungsstarke RNA-Sequenzen gefunden, deren Anzahl sich zusammen mit einer Aufschlämmung einfacherer RNA-Bausteine ​​immer wieder verdoppelt und sich in einigen Fällen um das Zehnfache vergrößert Stunden und weiterhin zu replizieren, solange sie Platz und Rohmaterial haben.

Aber Joyce war nicht ganz zufrieden. Der 53-jährige Molekularchemiker ist Professor und Dekan am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien. Er ist einer der Gründungsmeister der Hypothese der "RNA-Welt". Das ist die Vorstellung, dass das Leben, wie wir es kennen, vielleicht auf DNA und enzymatischen Proteinen basiert, wobei RNA größtenteils nur als Kurier genetischer Information fungiert und sich aus einem einfacheren, präbiotischen chemischen System entwickelt hat, das hauptsächlich oder sogar ausschließlich auf RNA basiert. Natürlich ist die Idee nur plausibel, wenn RNA die Evolution alleine unterstützen kann. Vielleicht, dachte Joyce, könnte seine synthetische RNA helfen, dies zu beweisen. Also arbeiteten er und Lincoln ein weiteres Jahr mit den Molekülen, mutierten sie und veranstalteten Wettbewerbe, bei denen nur die Stärksten überleben würden.

Im Januar, einen Monat vor dem 200. Geburtstag von Charles Darwin, gaben sie die Ergebnisse in Science bekannt. Ihr kleines Reagenzglassystem zeigte tatsächlich fast alle wesentlichen Merkmale der darwinistischen Evolution. Die ersten 24 RNA-Varianten reproduzierten sich, einige schneller als andere, abhängig von den Umgebungsbedingungen. Jede molekulare Spezies konkurrierte mit den anderen um den gemeinsamen Pool von Bausteinen. Und der Reproduktionsprozess war unvollkommen, so dass neue Mutanten, die Joyce sie als Rekombinanten bezeichnet, bald auftauchten und sogar gedieh.

"Wir haben es 100 Stunden laufen lassen", erinnert sich Joyce, "währenddessen haben wir eine Gesamtverstärkung der Anzahl der Replikatormoleküle um 10 gesehen."23. Ziemlich bald starben die ursprünglichen Replikatortypen aus und die Rekombinanten begannen, die Population zu übernehmen. "Keine der Rekombinanten konnte jedoch etwas Neues tun, das heißt, etwas, das keiner ihrer Vorfahren ausführen konnte.

Diese entscheidende fehlende Zutat trennt immer noch die künstliche Evolution von der wahren darwinistischen Evolution. "Das lebt nicht", betont Joyce. "Im Leben kann eine neuartige Funktion aus ganzem Stoff erfunden werden. Das haben wir nicht. Unser Ziel ist es, das Leben im Labor zu gestalten, aber um dorthin zu gelangen, müssen wir die Komplexität des Systems erhöhen, damit es mit der Erfindung beginnen kann neue Funktion, anstatt nur die Funktion zu optimieren, die wir darin entworfen haben."

Dieses Ziel scheint eindeutig möglich zu sein, da die RNA-Replikatoren in Joyces Labor relativ einfach waren: Jeder hat nur zwei genelike Abschnitte, die variieren können. Jedes dieser "Gene" ist ein kurzer Baustein der RNA. Ein Replikator, der ein RNA-Enzym ist, kann die beiden Gene sammeln und miteinander verbinden, um ein Enzym zu erzeugen, das der "Partner" des Replikators ist. Der Partner wird freigelassen und sammelt zwei lose Gene, die er zu einem Klon des ursprünglichen Replikators zusammenfügt. Rekombinanten treten auf, wenn ein Partner untreu ist und Gene miteinander verbindet, die niemals füreinander bestimmt waren. Rekombinanten erzeugten jedoch keine Gene. Es kann möglich sein, ein System zu entwickeln, das dies tut, oder die Komplexität zu erhöhen, indem jedem Replikator mehr Gene zur Verfügung gestellt werden, mit denen er arbeiten kann.

Scott K. Silverman, Chemiker an der Universität von Illinois, der Pionierarbeit mit DNA-Enzymen geleistet hat, hofft, dass "durch die Erfassung der Darwinschen Evolution in neuen Molekülen die Grundprinzipien der biologischen Evolution besser verstanden werden können", von denen viele ist auf molekularer Ebene immer noch etwas mysteriös. Joyce und Lincoln bemerkten zum Beispiel bei ihrer postmortalen Untersuchung des Experiments, dass die drei erfolgreichsten Rekombinanten eine Clique gebildet hatten. Immer wenn ein Cliquenmitglied einen Reproduktionsfehler machte, war das Ergebnis einer der beiden anderen Peers.

Der nächste große Schritt zur Schaffung von Leben im Labor wird laut Joyce darin bestehen, eine Reihe synthetischer Moleküle zu konstruieren (oder weiterzuentwickeln), die sowohl den Stoffwechsel als auch die Replikation durchführen können. Der Genetiker Jack W. Szostak von der Harvard Medical School hat nichtbiologische Proteine ​​entwickelt, die ATP binden, eine energietragende Chemikalie, die für den Stoffwechsel entscheidend ist. Szostaks Labor versucht auch, Protozellen herzustellen, die RNA in winzigen Sphären von Fettsäuren, sogenannten Mizellen, einschließen, die sich spontan bilden, verschmelzen und replizieren können.

Selbst wenn es Biochemikern gelingt, RNA und andere basische Verbindungen in irgendeine Form von synthetischem Leben zu verwandeln, wird das konstruierte System wahrscheinlich zunächst so komplex sein, dass es kaum beweisen wird, dass das natürliche Leben vor vier Milliarden Jahren auf ähnliche Weise begann. Die Replikatoren von Joyce bestehen aus nur 50 chemischen Buchstaben, aber die Wahrscheinlichkeit, dass eine solche Sequenz zufällig auftritt, liegt bei ungefähr einem von 1030, stellt er fest. "Wenn es sechs oder sogar zehn Buchstaben lang wäre, würde ich sagen, wir könnten uns im Bereich der Plausibilität befinden, wo man sich vorstellen könnte, dass sie sich spontan zusammensetzen" in der Ursuppe.

Von der Lebensdauer des Reagenzglases bis zu Diagnosewerkzeugen.

Das Leben im Labor zu schaffen, wäre eine bedeutsame Gelegenheit für die Menschheit, auch wenn es molekularer ist als Frankenstein. Aber es kann profanere Verwendungen für eine solche Chemie geben. Gerald F. Joyce, ein Artikel in der Presse von Nature Biotechnology, beschreibt, wie sein Labor am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien, RNA-Replikatoren so modifiziert hat, dass sie eine biochemische Funktion erfüllen müssen, um sich zu reproduzieren. Die Gewinner dieses Evolutionsrennens werden gute Kandidaten für eine medizinische Diagnose sein, denkt er. Scott K. Silverman von der University of Illinois sagt, dass die Idee ihre Berechtigung hat: "Angenommen, Sie müssen in einer schmutzigen Umgebung mit vielen verschiedenen vorhandenen Chemikalien nachweisen, dass Sie Salmonellen in Erdnussbutter finden möchten. Ohne Reinigungsschritte ist dies schwierig." Es wäre nützlich, das Diagnosesystem so weiterentwickeln zu können, dass es trotz des Rauschens immer noch das Signal findet. " W.W.G.

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