Jak chemię zamienić na biologię prof. Jack Szostak

[Michał-Anioł]

Prof. Jack Szostak pracuje na Harvardzie. Jest jednym z trojga tegorocznych laureatów Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii
 Pojawienie się życia na Ziemi to był przymus. Pojmiemy to dopiero wtedy, gdy zrozumiemy etapy jego narodzin. Jeśli nie wierzymy w cuda, jest to jedyne możliwe podejście - mówi "Gazecie" tegoroczny noblista prof. Jack Szostak
Tomasz Ulanowski: Mówi się - przynajmniej w środowisku dziennikarzy naukowych - że Nobel to pierwszy i szybki krok do naukowej emerytury.

Prof. Jack Szostak*: (śmiech) No rzeczywiście, gdybym tylko chciał, mógłbym resztę życia spędzić na podróżach po świecie i wygłaszaniu odczytów, mam tyle zaproszeń. Ale nie mogę jeszcze przejść na emeryturę! Nie teraz, kiedy razem z zespołem prowadzimy najciekawsze badania w całej mojej karierze i jesteśmy w przededniu odkrycia prawdy o początkach życia.

Próbujemy dowiedzieć się, jak to się stało, że proste związki organiczne na młodej Ziemi zaczęły się łączyć i zmieniać. Innymi słowy, jak z chemii zrodziła się biologia.

Czy potrafimy ostro zarysować tę granicę? Co już żyje, a co jest tylko chemią?

- Tu odpowiedź zależy często od dziedziny, którą zajmuje się pytany naukowiec. Ja jestem biologiem i dla mnie tę granicę bardzo ostro wyznacza ewolucja darwinowska. Związki chemiczne, które ulegają zmianom, rozmnażają się i przekazują te zmiany następnym pokoleniom, to już biologia, a więc życie.

W naszych badaniach zakładamy, że chemiczne cegiełki, z których powstaliśmy wszyscy, a także wszystkie inne ziemskie gatunki - a więc kwasy tłuszczowe, aminokwasy, nukleotydy - już są (skąd się wzięły - tym zajmują się inni naukowcy). W laboratorium próbujemy sprawdzić, czego potrzebowały, żeby przekształcić się w pierwsze komórki.
Czy poddajecie je takim samym warunkom środowiskowym, jakie panowały na młodej Ziemi?

- Z tym jest kłopot, bo za bardzo nie wiemy, jakie to mogły być warunki. Próbujemy więc zabrać się do sprawy od strony chemicznej. Szukamy cząsteczek, które, jak sądzimy, miały wszelkie własności potrzebne do przemiany w biologię.

Cząsteczek czego?

- Kwasów tłuszczowych, bo one łatwo się łączą. Tworzą w ten sposób warstwy cząsteczek, zwane błonami. A kiedy taka błona się zwinie i zamknie, powstaje pęcherzyk podobny do komórki. To żadna nowość, wiemy o tym od dawna. To, co jest naprawdę ciekawe, to fakt, że te pęcherzyki można zachęcić do tego, by rosły i zaczęły się dzielić, a więc, niejako, rozmnażać. Udało nam się to osiągnąć już w 2003 r., ale sposób, w jaki wtedy do tego doprowadziliśmy, był czysto laboratoryjny i nie mógłby się wydarzyć na młodej Ziemi. Teraz udało się nam, jak sądzimy, znaleźć proces, który mógł doprowadzić do narodzin pierwszych pęcherzyków tłuszczu, które potem przekształciły się w protokomórki.

Wyhodowaliśmy większe błony, niektóre ciasno upakowane jedna obok drugiej. Zaskoczyło nas, jak zaczęły się wtedy zachowywać. Niektóre zwinęły się w długie, cienkie i bardzo delikatne tuby. Wystarczyło nimi lekko wstrząsnąć, a kruszyły się i dzieliły. Kawałki rosły i rozciągały się w nowe tuby, a te znowu dzieliły się na kolejne i tak dalej.

Co mogło w naturze potrząsać tubami?

- Na przykład fala na powierzchni małego stawu - prazupy wypełnionej związkami organicznymi.

To jednak za mało, byśmy już mogli mówić o narodzinach życia. Potrzebujemy jeszcze materiału genetycznego, czegoś "w środku", co także by się dzieliło, ale jednocześnie podlegało zmianom przekazywanym dalej "potomkom". I to jest duży problem, nad którym właśnie pracujemy.

Czym mógł być ten pierwszy materiał genetyczny?

- Tego nikt nie wie. Najprościej byłoby, gdyby okazało się, że pierwszym nośnikiem pamięci i zmian były kwasy rybonukleinowe, a więc RNA. Wiemy bowiem, że odgrywały one ważną rolę w początkach ewolucji życia na Ziemi. Pytanie jednak brzmi - skąd się wzięło RNA? Czy było pierwszym materiałem genetycznym, czy najpierw powstały inne, prostsze związki? To wciąż zagadka. Choć mam nadzieję, że uda nam się ją rozwiązać.

Na razie eksperymentujemy z różnymi polimerami, próbujemy zachęcić je do podziału bez obecności przyspieszających reakcję enzymów. Może pierwszymi katalizatorami przemiany chemii w biologię były minerały? Może pierwotny materiał genetyczny - albo nawet RNA - dzielił się i mutował na podłożu mineralnym, zanim jeszcze znalazł się w komórce? Może. To bardzo atrakcyjny pomysł. Problem w tym, że po tylu latach badań ciągle nie ma nań dowodów.

Wracam do warunków, które panowały na młodej Ziemi, bo to dla mnie ciekawe pytanie. Jakie były?

- Warunki w pewnym stopniu wynikają z naszych badań. Okazuje się np., że prazupa, w której narodziło się życie, nie mogła być słona. Bo w wodzie słonej proste związki organiczne rozpadają się i krystalizują, a więc życie umiera, zanim się zdąży narodzić. Jeśli błony zbudowane z kwasów tłuszczowych, nad którymi pracujemy, dały początek życiu, to stało się to w środowisku słodkowodnym.

Inna sprawa - zanim np. łańcuch DNA stworzy swoją kopię, jego podwójna helisa musi ulec rozerwaniu. Najprościej rozerwać ją, podnosząc temperaturę. Ale żeby powstały kopie, temperatura musi znowu spaść. Być może więc w prazupie musiał istnieć jakiś mechanizm podnoszący i obniżający temperaturę. Raczej nie lato-zima, bo to za długo by trwało. Nawet cykl dzień-noc byłby za długi. Wyobrażam więc sobie taki scenariusz, w którym młoda Ziemia jest zimna, a jedynymi miejscami gorącymi są wulkany wyrzucające rozpalone do białości skały. I kiedy te odłamki wpadają do zimnych bajorek, w wodzie nie tylko zmienia się temperatura, ale tworzą się też prądy konwekcyjne, wiry i - pstryk - rodzi się życie.
Choć, powtarzam, to czyste spekulacje.

Ale właśnie dzięki takim spekulacjom, które potem się udowadnia, mamy odkrycia naukowe.

- To prawda. Przyjmuje się założenia, a potem stara się je udowodnić. Niestety, jeśli chodzi o początki życia, ciągle wiemy tyle co nic. Co więcej, mało jest naukowców, którzy je badają.

Dlaczego? To przecież jedno z fundamentalnych pytań.

- Wszyscy tak sądzą, ale mało kto chce takie badania finansować, bo nie przynoszą one wymiernych zysków. Poza wiedzą, skąd przyszliśmy (śmiech).
Pan sądzi, że narodziny życia na Ziemi to był cud czy coś, co po prostu musiało się zdarzyć?

- Moim zdaniem życie na Ziemi to przymus. Dużo łatwiej będzie nam to jednak pojąć dopiero wtedy, kiedy zrozumiemy wszystkie etapy jego narodzin. Jeśli nie wierzy się w cuda, jest to jedyne możliwe podejście. Choć może nie trafiać ono do fundamentalistów religijnych.

Religia, choć daje inne odpowiedzi, stawia jednak te same pytania. M.in. o to, skąd jesteśmy.

- To prawda, ale jeszcze ważniejsze od odpowiedzi jest podejście do problemu. Nauka stawia pytania i odpowiada na nie, obserwując przyrodę. Wydaje mi się, że to znacznie lepszy sposób zdobywania wiedzy niż zwykła wiara w czyjeś słowa.

W naszej wiedzy jest jeszcze sporo luk, ale systematycznie je zapełniamy. I za każdym razem coś, o czym nie mieliśmy pojęcia, staje się oczywiste. Jestem przekonany, że prędzej czy później wypełnimy wszystkie luki i odtworzymy prostą i logiczną ścieżkę, po której stąpało życie na Ziemi.

Wielu naukowców, z którymi rozmawiałem, mówi, że życie musiało się na Ziemi zdarzyć, bo tu jest woda w stanie płynnym. I to wody szukamy, wypatrując śladów życia na innych planetach.

- To rozsądne, ale woda jest tylko jednym z wielu elementów, choć może i podstawowym, które składają się na warunki konieczne dla narodzin życia. Innym jest np. odpowiednia atmosfera - z minimalną zawartością tlenu, ale za to z dużą ilością wodoru. Dzisiaj w powietrzu wodoru właściwie nie ma, jest za to ogromna ilość tlenu. Gaz ten pojawił się w atmosferze Ziemi dopiero 2,2 mld lat temu. Jego poziom zdecydowanie wzrósł 700-600 mln lat temu. Pierwsze organizmy nie mogły korzystać z tlenu, by spalać energię, były więc proste i niewielkie. Dopiero kiedy tlen pojawił się w atmosferze, a jest on bardzo wydajnym "pomocnikiem" w spalaniu energii, razem z nim mogły pojawić się większe formy życia.

Ma pan pomysł, jak to się wszystko rozwinie - brak życia, mało tlenu, początki życia, więcej tlenu, dużo tlenu i dużo dużego życia. I co dalej?

- Wie pan, jak takie powiedzenie, że sztuka przewidywania jest bardzo trudna, szczególnie jeśli chodzi o przyszłość (śmiech). My ciągle mamy problem, żeby poznać naszą przeszłość! Ja nawet nie wiem, do czego doprowadzą moje badania.

A czy nie patrzy pan na nie jak na tworzenie sztucznego życia? Jeśli uda się panu przekształcić te niewielkie bąbelki tłuszczu w żywe istoty, będzie pan ich Stworzycielem.

- Poniekąd ma pan rację. Ale czy poczuję się jak Stworzyciel? Raczej pomyślę, że udało mi się odpowiedzieć na ważne pytanie. Na pewno jednak z ogromną ciekawością będę obserwował, jak ta odrobina życia się dalej potoczy. Kiedy powstaną już protokomórki, a my będziemy je dalej karmić, to nadal powinny się dzielić i namnażać. Będą też pod straszną presją doboru naturalnego. Co potem? Nie wiem

* prof. Jack Szostak pracuje na Harvardzie. Jest jednym z trojga tegorocznych laureatów Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii

Źródło: Gazeta Wyborcza