A "tyúk vagy tojás" problémája RNS-be gabalyodva

A Szent István Egyetem 1. évfolyamos biológus (BSc) hallgatói tudományos ismeretterjesztő írás elkészítését kapták feladatul egyik múzeumi munkatársunktól. A legjobban sikerült munkákat blogunkon is közzétesszük. E sorozat részeként Mikulecz Benjámin Áron blogunkon szokatlan témájú, de az élet eredetének érdekes kérdéseit feszegető írását olvashatjuk.

Írta: Mikulecz Benjámin Áron, Állatorvostudományi Egyetem, biológus BSc 1. évf.

A DNS másolása nem pontos folyamat. Nem is lenne jó, ha az lenne, hiszen a természetes szelekció által az evolúció csak akkor tud hatni, ha a szaporodás és az öröklődés („A” szekvencia alapján rendszerint „A”, „B” szekvencia alapján rendszerint „B” jön létre) mellett a változékonyság („B”-ből olykor „D” jön létre) is jellemzi entitásunkat. E három tulajdonsággal kell rendelkezniük az evolúció egységeinek. Az élet eredetének kutatóit mégis egy olyan probléma akadályozta évtizedekig, amelyben a túl sok mutáció jelenti a gondot.

Az Eigen-paradoxon

Manapság szinte minden organizmus genetikai információját („receptjét”) DNS tárolja, sejtszintű életműködéseiket pedig – melyek tulajdonképpen olyan kémiai reakciók, amelyek egy összetett hálózatba (anyagcsere) szerveződnek – fehérjealapú enzimek segítik. Ha csak azt a folyamatot nézzük, melyben a DNS információja RNS-re másolódik (transzkripció) máris egy sor, bonyolult felépítésű enzimre van szükségünk, nem beszélve azokról az enzimekről (és RNS-ekről), amelyek a transzkripciót segítő enzimeket készítik el. Képtelenség, hogy ekkora mennyiségű és bonyolultságú fehérje spontán, egyszerre jelent volna meg az élet korai evolúciója során.

abra1rnscikk.jpg

Néhány organizmus mutációs rátája (mutáció / bázis / generáció) ( A szerző ábrája John Drake és mtsai. (1998,) valamint Kun Ádám (2016.11.19.) nyomán)

 

Visszatérve a DNS másolására, elengedhetetlen legalább egy hibátlan szekvencia szintézise másolásonként, mert enélkül elvész a hordozott információ. Így a mutációs rátának (1. ábra), vagy ha ez adott, akkor pedig a genom méretének lesz egy maximuma, mely fölött a hibás üzenetek terjednek el. Ezt a maximumot hibaküszöbnek nevezzük. Az 1. ábrán szereplő élőlények (és vírusok), mint ma minden élőlény (és vírus), valamilyen formában fehérje alapú enzimrendszert használ. Enzimek nélkül a hibaküszöb akkora, hogy maximálisan a genomméret kb. 100 bázisnyi lehet. Ez nemhogy sok, bonyolult fehérje kódolására, még egy darab, „futott még” fehérje kódolására sem elegendő.

Észrevettük már a tyúkot? Esetleg a tojást? Elég bonyolult enzimapparátus nélkül meglehetősen csekély méretű genom tartható fenn, ahhoz mindenféleképpen csekély, hogy elég bonyolult enzimapparátust kódolhasson. Ez az Eigen-paradoxon.

Egy letűnt világ követei

Ha visszaemlékszünk, a DNS és a fehérjék mellett egy harmadik molekulaféleségről is szót ejtettünk. Ez az RNS. Rá azért van szükség, mivel a fehérjekészítő apparátus (a riboszóma) nem „érti” közvetlenül a DNS-t, ezért arról egy RNS kópiát (ha úgy tetszik, egy .TEMP fájlt) kell előbb készíteni, amely „formátumot” a riboszóma már munkába tudja venni. Ez a kópia az mRNS (messenger RNS). Ha már szóba került a riboszóma, az ő alegységeinek felépítésében fehérjék mellett rRNS-ek (riboszomális RNS) is részt vesznek, mi több, 2002 óta azt is tudjuk, hogy a szintézis során a peptidil-transzfert az RNS komponens végzi. E szintézishez egyébként tRNS-ek (transzfer RNS) szállítják az aminosavakat. Az anyagcsere legfontosabb koenzimeiben (pl. ATP) is RNS építőköveket találunk.

2.png

DNS, RNS és fehérje szerkezete (Forrás: Zephyris (Richard Wheeler), Wikipedia)

Már az 1960-as években felvetették, hogy szerkezetükből adódóan az RNS molekulák is ugyanúgy viselkedhetnek enzimekként, akár a fehérjék, hiszen − a DNS közismert kettős hélixével ellentétben − változatos harmadlagos szerkezeteket tudnak kialakítani, amely úgy következik a bázissorrendből, ahogy a fehérjéké az aminosav-sorrendből (2. ábra). Bő két évtizednyi tetszhalál után, a ’80-as évek végén szárba szökött az ötlet. Azóta sok-sok RNS-enzimet (ribozimet) találtak már a mai élőlényekben (pl. hajtű ribozim, Neurospora Varkud szatellita ribozim). Habár ezek működése nem túl sokszínű (RNS molekulát hasítanak), kémcsőben evolvált ribozimek változatossága arra utal, hogy akár egy egész anyagcserét képesek lennének működtetni.

Ha számba vesszük azt is, hogy bizonyos vírusok, például a humán immundeficiencia vírus (HIV), RNS genomot használnak, elképzelhetünk egy „letűnt világot”, amelyben a genetikai információhordozók és az enzimek szerepét is RNS molekulák látták el.

Az RNS-világ

A bioszféra egy ilyen állapotára vonatkozó feltevések az 1970-es évek legvégén és a ’80-as években láttak napvilágot. Amellett, hogy nyilvánvalóan sok problémát felvet e „világ” feltételezése, jó párat meg is old: például akkoriban az információ másolásáért és az enzimek előállításáért ugyanaz a folyamat – az RNS másolás – felelt. Felvetett problémára pedig eklatáns példa, hogy nagyon nehezen megy egy hatékony, replikáz funkciójú ribozim előállítása.

De vajon – mert per pillanat minket ez érdekel a legjobban – segít-e feloldani az Eigen-paradoxont? Mint láttuk, a ribozimek szerkezetük miatt tölthetnek be enzimfunkciót. Kutatások szerint „több szekvencia is azonos szerkezetet vesz fel”, tehát a bázissorrend addig büntetlenül mutálódhat, amíg a mutációk nem befolyásolják a molekula alakját. Így magasabb lesz a hibaküszöbünk. Ezt a kitolt értéket fenotipikus hibaküszöbnek hívjuk, ami egyes mai élőlények által használt ribozimekre egy nagyságrenddel (!) magasabb, mint a „genotipikus” hibaküszöb. További számítások azt mutatják, hogy egy replikáz funkciójú ribozim elég pontos lehet, hogy önmagáról hatékonyan másolatokat készítsen. Ezen eredmények tükrében kijelenthetjük, hogy az RNS-világ jócskán közelebb viszi a korai élet kutatóit ahhoz, hogy megszabaduljanak az Eigen-paradoxon láncaitól.

S hogy milyennek képzeljük el ezt a világot? Mint szabadon vagy ásványi felszínekhez kötötten folyton saját magukat másoló, versengő nukleotid szekvenciákat szerteszét az ősóceánban? Esetleg, mint az első, egyszerű élő rendszerek vagy bonyolult működésű, RNS alapú sejtek által uralt Földet? Hogyan jött létre, és hogyan fejlődött tovább? Ezek mind remek kérdések, amelyek minél pontosabb megválaszolásán jelenleg is sokan, sokat dolgoznak.

Források:

DRAKE, JOHN W.; CHARLESWORTH, B.; CHARLESWORTH, D.; CROW, J. F.; 1998: Rates of Spontaneous Mutation. Genetics, 148. p. 1667–1686.

KUN ÁDÁM, 2010: Az RNS-világ és a hibaküszöb. Magyar Tudomány, 171. 4. p. 388-395.

KUN ÁDÁM, 2011: Az RNS-világ. Természet Világa, 142. 10. p. 455-456.

KUN ÁDÁM, 2016.11.19.: A baktériumok mutációs rátája alacsonyabb, mint az eukariótáké. [Online]. http://kunadam.blogspot.hu/2016/11/a-bakteriumok-mutacios-ratja.html [2017.04.23.]

SZATHMÁRY EÖRS, 2003: Az élet keletkezése. Magyar Tudomány, 48. (109.) 10. p. 1220-1247.

SZATHMÁRY EÖRS, JOHN MAYNARD SMITH, 2012: A földi élet regénye. A földi élet születésétől a nyelv kialakulásáig. Második, bővített kiadás. Budapest, Akadémia Kiadó.

A bejegyzés trackback címe:

http://mttmuzeum.blog.hu/api/trackback/id/tr2313116836

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben.

Ad Dio 2017.10.31. 07:51:32

Nagyon jó cikk. Azt az érzetet keltette bennem, hogy értem - kétlem.

Szalay Miklós 2017.10.31. 08:43:18

Apropó, akit kicsit közelebbről érdekel, hogy hogyan működik az evolúció, az a következő linken nézzen szét. Olvashattok többek között a különféle szelekciós tényezőkről, a halandóság és az evolúció kapcsolatáról vagy arról, hogy az evolúció nem szükségszerűen vezet tökéletességhez:

egyvilag.hu/temak.shtml#elet1

(A kép tetején lévő sorokat nézzétek. Az írások doc és pdf formátumban tölthetők le. Ezek egyébként egy nagyobb mű darabjai, mely megpróbálja módszeresen, de azért érthetően elmagyarázni, hogyan működik a világ.)

Palladrin 2017.10.31. 08:47:56

Szerintem Soros volt előbb mint a tyúk vagy a tojás!

Duplaxiii 2017.10.31. 10:48:24

Szerintem is jó és hasznos írás!
És mivel én is a műkedvelők közé tartozom, más területek állnak közel hozzám, érdeklődve olvasom az EGYIK álláspont munkáit.
Semmi baj, ha egy biológus kizárólag egy, hozzá kapcsolható folyamatokat vizsgál, ez így van rendben.
Visznt az evolúciós elméleteknek számtalan változata él (az istenalapútól kezdve a idegenek általi életindításig), sok az összeesküvés elméleteket vallók "bibliája", így én minden ilyen tartalmas munkát, gondolatot hasznosnak tartok.
Mert ma minden életünk eredetét firtató kérdésre kizárólag fikciókkal válaszolhatunk.

Duplaxiii 2017.10.31. 10:57:46

Egy példával igazolnám az ilyen elméleti anyagok, kutatások szükségességét:
A 80-as években pár számot élt meg a Science Magazine magyar változata, a Tudomány.
Minőségi és tartalmas magazin volt, az első számában volt egy MI témában közölt elemzés, az alakfelismerésről, a számítógépek és emberi gondolkodás problémáiról.
Napjainkban már számos területen használnak hasonlót, de az alap a mai napig megoldhatatlan, de a laikusok folyamatosan vitatkoznak róla és sokszor a scifibe illő érvekkel verik vissza a tudományosakat.
De a vita hasznos és előrevisz!
Amikor az említett cikk megjelent, én már évek óta az informatikában dolgoztam. Az agykutatás és támaköréhez nem értettem, de a cikk a komplex problémakört vizsgálta, yehát az "egyik" oldalra volt rálátásom, tehát lett és a mai napig van - ebből származó - véleményem az számítógépe-alapú alak felismerés problémáiról, gátjairól.
Az evolúciós kutatások pontosan hasonlók!
Bízzunk benne, hogy ennek a területnek nem züllik le a rajongóköre a mobiltelefonos szelfis gondolkodásig.
Szerintem az evolúció nem kapcsolható le a fizikától, a világegyetem kutatásától!

Látogasd meg honlapunkat, lájkolj és kövess minket! Facebook, Google+, Twitter, YouTube, Tumblr, Pinterest

Mtmagyar.jpg

 

greenfo_logo_uj_fekvo.JPG

mti_hirfelhasznalo.jpg

szabaduloszoba_oldalsav_banner.jpg

 

Hirdetés

Facebook oldaldoboz

Friss témák

Szerzők

Információk, ajánlók

pinterest_blogra.jpg

google_plusz_gomb_blogra_200.jpg

 

 

Látogassatok el ide is!

 

okologia_blog.JPG

További blogjaink:

bogaraskonyv_200.jpg

lepkésskonyvek_200.jpg

vasilogo.jpg

Állatvilág magazin

allatvilag-2016-1.jpg