Noi pasi spre obtinerea vietii in laborator

Prima stire stiintifica importanta a anului 2009 a venit din domeniul biologiei moleculare. Astfel, un articol din revista Nature anunta crearea in conditii de laborator a unui minuscul fragment de ARN (Acid RiboNucleic) care avea insa calitatea de a se autoreproduce.

Cercetatorii au anuntat ca acesta este doar primul pas dintr-un drum mai lung, la al carui capat sta crearea unor forme de viata artificiale mai complexe.

Despre ce este vorba? Cercetatorii de la Institutul Scripps au reusit sa creeze catalizatori ARN care s-au putut combina intre ei in momentul in care acestora le-au fost furnizate elementele constructive necesare. Cum “enzimele” de ARN obtinute nu au fost perfecte, perechile originale de ARN s-au reprodus dar au si suferit mutatii spre forme noi, modificate. In final, enzimele obtinute au variat in functie de amestecul si concentratia diferitelor tipuri de ARN introduse initial in reactie.

Am stat de vorba cu Mihnea Bostina de la Harvard Medical School pe aceasta tema. L-am invitat sa raspunda, intai de toate, la intrebarea “ce inseamna de fapt viata”?

MB. Depinde foarte mult din ce perspectiva privim.

• Din punct de vedere fiziologic trebuie sa avem un sistem care se misca, creste, se inmulteste, mananca etc.
• Din punct de vedere biochimic, trebuie sa avem informatie transmisibila ereditar plus un metabolism guvernat de enzime (molecule cu rol de catalizator, care cresc dramatic viteza cu care au loc reactiile chimice).
• Din punct de vedere genetic ne gandim la un sistem viu ca la un sistem capabil de evolutie prin selectie naturala.
• Pe de alta parte, din punct de vedere metabolic intelegem un sistem avand o membrana, care schimba material cu mediul.
• Daca privim din perspectiva termodinamica, intelegem un sistem care produce ordine (sau informatie), adica o descrestere a entropiei la nivel local, in schimbul cresterii entropiei in afara lui.

Asadar, in functie de tipul de context si accentul se muta pe un anume tip de mecanism considerat esential.

Va rog sa ne spuneti, in cateva cuvinte, cum au evoluat teoriile stiintifice privind aparitia vietii.

MB. Teorii despre originea vietii au aparut inainte de studierea vietii. In fond orice mitologie trebuie sa-si asigure un scenariu pentru acest eveniment: e cazul ideal al generalului scapat de conditionarile particularului. Insa prima teorie cu adevarat argumentabila a fost generatia spontanee prezentata de Aristotel in Historia Animalium.

Exista suficiente observatii care ar parea ca justifica posibilitatea ca materia neinsufletita sa dea nastere unor forme primitive de viata. Bacterii, viermi, soareci par sa apara spontan in anumite conditii. Teoria a supravietuit peste doua milenii, pana cand Louis Pasteur a demonstrat ca fermentatia e produsa de microorganisme.

Patrunzand in Secolul al XX-lea, ideea capata cu adevarat un contur stiintific. De acum observam teorii aflate sub paradigma momentului. Sa ne gandim ca in prima sa jumatate existenta elementelor primordiale, precum aminoacizii, era privita ca hotaratoare. Atunci se cauta o teorie axata pe metabolism si nu pe ereditate, asa incat am avut teoriile lui Oparin si Haldane in anii 1920. Au urmat apoi experimentele lui Miller si Urey in anii 1950. Acestia, folosind descarcari electrice intr-un mediu imbogatit in anumiti compusi chimici, reusesc sa produca cativa aminoacizi printre care si unii dintre cei 20 de aminoacizi necesari vietii. Aveam materia prima ca element fundamental.

Astazi, traind intr-o epoca a informatiei, accentul s-a mutat si el din biochimic in teoria informatiei. Exista directii de cercetare care evalueaza pur numeric diferite scenarii, elaborand modele de viata artificiala. Viata a incetat sa fie o forma elaborata a chimiei si a devenit o forma aplicata a informaticii.

Principala problema a unei teorii despre originea vietii este propunerea si explicarea unui mecanism capabil sa genereze transmiterea informatiei, a unei informatii capabile sa evolueze! Asadar elementul central al unei teorii este modelul pentru autoreplicare.

Mihnea Bostina, care sunt elementele necesare pentru a putea “crea viata”?

MB. In principiu avem nevoie de trei conditii:

• Un sistem de transmitere a informatiei care sa satisfaca simultan doua conditii putin compatibile: sa fie suficient de robust pentru a nu acumula prea multe erori de la o generatie la alta si, in acelasi timp, suficient de flexibil incat sa permita variatii care sa fie supuse selectiei naturale.
• O forma de metabolism, mai precis o forma de obtinere a energiei si de prelucrare a materialului care sa permita conditia esentiala a vietii: multiplicarea.
• O membrana care sa separe interiorul de exterior. Desi pot exista si sisteme autocatalitice libere (capabile ele insele sa accelereze reactia chimica care le genereaza), existenta unei membrane este cruciala pentru un salt in complexitate. Aceasta asigura o permeabilitate selectiva ca marime si ca proprietati chimice, ceea ce duce la acumularea de substante si cresterea probabilitatii reactiilor chimice utile.

Exista de mult experimente care incearca sa reproduca viata in laborator – iar anunturile sunt, de regula, prezentate drept “pasi” spre crearea vietii. Care e insa structura minima necesara unei forme de viata?

MB. Exista doua abordari pentru a stabili o forma minima de viata. Cind spun forma minima de viata ma gindesc la cea mai simpla structura biologica, adica la o celula redusa la strictul metabolic necesar.

Prima dintre aceste strategii porneste de sus in jos: adica simplificarea unui organism suficient de mult astfel incat sa fie redus la un genom minim.

Cea de-a doua strategie gandeste intregul proces de jos in sus, mai precis gasirea unor combinatii chimice suficient de complexe incat prin interactiunile lor sa dea nastere unei structuri vii.

Structura dublu elicoidala ADN Foto: Wikipedia

Stim ca ADN-ul este folosit la inmagazinarea informatiei necesare functionarii unui organism, in timp de ARN-ul este folosit doar ca un intermediar necesar functionarii celulelor. Asadar – de ce ARN si nu ADN?

MB. In prezent, se pare ca exista un consens cvasi-general asupra aparitiei vietii ca urmare a unor reactii intre acizi nucleici, in principal ARN. Ipoteza este ca la inceputurile ei viata se baza doar pe reactii intre molecule de ARN – o asa numita “lume ARN” (RNA world).

De ce ARN? Din mai multe motive: in primul rand este suficient de asemanator cu ADN-ul. In cazul in care putem imagina o forma de viata bazata pe ARN, trecerea ulterioara la ADN pare suficient de plauzibila.

Avantajele acestei teorii sunt clare mai ales daca ne gandim la diferentele dintre cele doua tipuri de baze. ADN-ul este extrem de stabil datorita structurii sale in dubla elice, ceea ce il face mult mai eficace la inmagazinarea informatiei. Faptul ca exista doua siruri de ADN cu aceeasi structura permite verificarea unuia cu celalalt, asa incat copierea sa este mult mai corecta, iar mutatiile mult mai rare.

Din contra, ARN-ul este mult mai maleabil fiind capabil sa formeze structuri tridimensionale infinit mai variate. Aceste structuri sunt astfel capabile sa creeze suprafetele necesare unui catalizator: concavitati in care, sa zi
cem, doi compusi isi pot gasi locul intr-o pozitie care ii face partasi unei reactii chimice extrem de putin probabile in solutie.

Datorita faptului ca ARN-ul este atat de liber sa adopte structuri variate il face un slab mediu pentru inmagazinarea unei cantitati mari de informatie. Practic doar cativa virusi folosesc ARN-ul intr-o maniera ereditara. In celule, ARN-ul este folosit doar ca intermediar al transmiterii de informatie.

Insa exista un lucru exceptional pe care aceasta flexibilitate o permite in afara transmiterii de informatie: anume capacitatea de a forma molecule functionale! Inca acum doua decenii a fost acordat un Premiu Nobel pentru demonstrarea faptului ca molecule formate din ARN pot avea o functie enzimatica.

Care este problema ridicata cercetatorilor care incearca sa obtina viata in conditii de laborator?

MB. Dificultatea este ca ceea ce cautam este un sistem autocatalitic format din ARN. ARN-ul si ADN-ul se pot copia, insa erorile care apar sunt extrem de frecvente. In celule exista o intreaga armata de proteine care vegheaza ca acest proces sa aiba cat mai putine erori. O gena, adica suportul fizic pentru transmiterea informatiei necesare pentru constructia unei enzime, trebuie sa aiba o lungime relativ mare, data fiind complexitatea functiei. Ori in procesul copierii acesteia se produc erori. Cu cat mai lung mesajul, cu atat mai multe erori. Ajungem la urmatorul paradox: o gena suficient de complexa pentru a codifica o enzima este prea complexa pentru a fi copiata corect fara ajutorul unei alte enzime.

Si care ar putea fi solutia acestei probleme – cel putin din cate stim in momentul de fata?

MB. Daca se lucreaza doar cu ARN, solutia la care ar fi putut recuge natura ar fi, cum ar spune Descartes, sa descompuna o problema complexa in probleme mai mici care pot fi rezolvate!

In locul unei molecule complexe capabila de autocataliza, ar putea fi vorba despre un sir de enzime suficient de mici incat fiecare dintre ele sa poata ajuta la producerea urmatoarei enzime. La finalul unui astfel de ciclu ultima enzima faciliteaza producerea primei enzime. Exista, asadar, modele logice capabile sa explice o lume a ARN-ului.

Ce prezinta de fapt articolul din Nature? Ce au facut de fapt cercetatorii de la Scripps?

MB. Articolul descrie un model simplificat al acestui experiment. Cei de la Scripps au reusit sa construiasca o pereche de catalizatori, astfel incat fiecare dintre ei sa medieze formarea celuilalt.

Avem pentru prima data o reactie ciclica implicand exclusiv acizi nucleici. Asadar o suita de reactii chimice in care, spre deosebire de orice forma de viata cunoscuta, nu este folosita nicio proteina. Nu aminoacizi, ci doar acizi nucleici!

Si mai important fata de rezultatele anterioare este faptul ca reactia nu e limitata in timp. Avand doar o cantitate mica din cele doua enzime, in prezenta unei rezerve continue de subunitati necesare asamblarii lor, reactia poate continua la nesfarsit.

Autorii articolului spun ca acest experiment demonstreaza veridicitatea Teoriei Evolutiei. De ce?

MB. Cei doi autori au creat si un mic sistem Darwinian. Au folosit mai multe perechi diferite de enzime pe care le-au lansat intr-o competitie de supravietuire. In majoritatea cazurilor, cele doua enzime efectueaza asamblarea fara nici o eroare. Uneori insa, ele isi vor “incurca” subunitatile dand nastere unor variatii. In cazul in care noua constructie este mai eficienta, in sensul in care va functiona mai rapid, proportia ei in randul populatiei totale va creste. Vom avea deci un proces evolutiv care genereaza un nou sistem optimizat.

Nu se poate vorbi despre un sistem viu, insa fara indoiala avem in acest experiment demonstratia ca unele dintre caracteristicile unui sistem viu pot fi create in laborator. Este vorba despre un sistem capabil sa transmita informatie si sa creeze variatie.

Una dintre caracteristicile care fac teoria lui Darwin atat de puternica priveste validitatea sa – care nu depinde de sistemul la care este aplicata. Ea este adevarata in cazul oricarui sistem capabil sa se reproduca pe sine insusi si in acelasi timp sa permita mici variatii care ulterior sa fie selectate in functie de eficienta lor.

Stirea originala anuntata de catre Institutul Scripps poate fi accesata aici.