Давайте поговорим немного о генетике, Часть I
Аннотация: мне очень нравится генетика, а именно тот её раздел, который связан с молекулярной её частью. Я материалист и геноцентрист, поэтому я считаю, что гены и их изучение могут помочь нам понять смысл нашей с вами жизни. Я не смогу вас переубедить, если вы верите в сверхъестественное или лженаучное. У меня это не получится сделать чисто физически. Но мне кажется, что я просто обязан поделится с вами частичкой тех знаний, которые преподают у нас в ВУЗе на парах по биотехнологии.
Все грамматические ошибки в тексте являются авторскими и критике не подлежат.
Собсно, я пожалуй начну с догм молекулярной биологии, которые уже даааавно как не догмы, а место для широчайших дискуссионных батлов среди учёных. Просто вкратце напомню, что это вообще такое:
Из ДНК получается РНК, из РНК получается белок. Стрелочки означают что откуда берётся. По крайней мере, нам так говорили в школе. Отчасти это правда, ведь именно так и работают 2% человеческого генома. Но в действительности всё гораздо сложнее. Общая картинка, которая есть сейчас, выглядит примерно следующим образом:
Мда... ДНК может делать саму себя с помощью транспозонов (если их конечно ещё не прикрыла иммунная система). Из ДНК может получатся РНК, которая может синтезировать ДНК. Или саму себя. Или белок. И даже сама ДНК без помощи РНК может сделать белок путём обратной транскрипции. Пипец как сложно :(
Немного истории. РНК на самом деле более-менее самостоятельная единица. Она существовала и до появления ДНК, ведь её получить гораздо проще и быстрее. Другое дело, хранит она информацию значительно хуже. Поэтому выживали те организмы, которые научились юзать мутировавшую РНК -> ДНК. Это связанно с многими факторами, описать которые у меня не получится в рамках поста, ибо статья общеобразовательная. П.Л.А.К.
Главное, что бы вы поняли одну простую вещь: не только ДНК в нашем организме умеет хранить и передавать наследственную информацию. Собсно это и есть один из современных взглядов на генетику. Добавить ещё пару тройку других областей, которые в общей сложности изучают все молекулярные механизмы, влияющие на работу ДНК, и мы получим такой раздел генетики, как эпигенетику. Но о ней я расскажу в других постах.
2% ДНК кодируют белки, которые используются нашим организмом для поддержания своего существования. Чтобы получить на выходе чистый белок, должно произойти несколько прикольных превращений:
Святые ёжики! Какая страшная хрень! Давайте разбираться.
Я попозже опишу молекулярные механизмы и процессы, которые задействованы в экспрессии ДНК (экспрессия это крафт из ДНК белка. И да, я нарочно избегаю термина ген, ибо это ну нереально страшная штука. О ней ниже). Сейчас мне главное дать общую картину транскрипции ДНК.
Начну с самой няшной части транскрипции: мяРНК (малые ядерный РНК). Они транскрибируются из ДНК, вываливаются в цитоплазму, где няшно дозревают. После чего они возвращаются в ядро где следят за другими работягами и всеми любимыми теломерами. Они явно твой бро.
Из ДНК также получаются (РНК) пре-РНКашки, из которых потом выходят обычные РНК. Процесс их превращения довольно интересен и у меня самого по нему до сих пор есть ряд вопросов., я попытаюсь чуть ниже рассказать вам, что это вообще за сыр и с кем его натирают. Главное запомните, что РНК это кастрат-версия пре-РНК.
Когда кастрация РНК заканчивается, они выходят из ядра и там уже окончательно дозревают до чего-то полезного молекулярному социуму.
Ген
Помните те самые задачки по генетике, которые вы решали в восьмом классе? Там было ещё было много ора, который скрещивался. Например:
АА х аА х Аааааааааа!
Давайте разбираться, как же это выглядит в реальности.
Большую часть своей жизни ДНК находится в состоянии огромного количества нитей, которые более-менее чётко собираются только в профазе во время Этих дней в клетке.
Клетки делятся на два типа: обычные и половые. Оры и крики, которые мы с вами записывали на уроках биологии, проходят во время одного важного процесса, когда две половые клетки ваших отцов и матерей сливаются в зиготу. Во время этого процесса происходит случайный (на самом деле не очень) обмен генами.
Что же такое ген?
Я попробую дать наиболее точное определение гена, чтобы просто похвастаться своими знаниями. Ген это цис-действующая модульная нуклеотидная последовательность ДНК, аннотированная структурная единица генома, ограниченная некодирующими участками ДНК и способная к экспрессии. Заковыристо, сложно и непонятно. Есть и другие определения гена, ведь генетику изучают не только биологи, но и физики, биоинформатики и всякие странные сторонние личности. У каждой стороны своё определение, которым они пользуются для удобства. На сегодняшний момент в научной среде популярно определение биоинформатиков. Но оно на столько далёко от материальной его составляющей, что я пожалуй опущу его и разберу то, что написал выше.
Тело гена состоит из кучи кусочков. Первый кусочек, отмеченный синим, называется промотор. С него начинается процесс копирования гена. РНК-полимераза (белок, который делает РНК) подходит к комплексу инициации транскрипции (хрени из кучи белков, которые кое-как нашли начало нужного гена, закрепились там и раздвинули цепочку ДНК как братик раздвигает ноги своей сестрёнки). РНК-полимераза проходит вдоль цепочки ДНК от промотора к терминатору, собирая пре-ИРНК, о которой я говорил выше. Когда собиратель доходит до терминатора, срабатывает режим "I will be back" и РНК-полимераза разрушается, высвобождая готовую пре-ИРНК.
Обговорю пару моментов, чтобы не осталось вопросов. Меня всегда мучил вопрос, что это за " 5' " и " 3' ", которые всё время пишут.
Цифра 3 или 5 показывает направление, в какую сторону будет идти превращение ДНК в ИРНК. Она зависит от того, к какой части молекулы дезоксирибозы (того эмоционального пятиугольничка) крепится молекула фосфата. РНК НЕ МОЖЕТ синтезироваться, если процесс пойдёт в обратном направлении. Собственно именно поэтому ген и является "цис-действующим".
Тело гена, расположенное между промотором и терминатором, заполненно ненужными отрезками, которые называются интроны. Почему они так называются? Всё дело в том, что когда образуется пре-ИРНК, к ней тут же подтягиваются сплайсосомы, задача которых провести обрезание. Они вырезают интроны и скеливают концы экзонов, образуя более-менее чистый духовный православный оттечественный ИРНК. Интроны, после этого, выпадают в осадок, оставаясь внутри ядра. А экзоны выходят наружу. Этот процесс, редактирующий "модули гена", называется "процессинг". Ути-пути.
В зависимости от того, какие интроны будут вырезаны и какие экзоны останутся, зависит тип РНК. Грубо говоря, на выходе, из одного гена может получится сразу несколько разных молекул РНК.
Дальше я не написал, потому что я устал.
Если хотите увидеть продолжение, в котором я расскажу про детали трансляции, описание удвоения ДНК, ГМО, мобильные генетические элементы, психогенетику и прочие прикольные генетические ништяки, ставьте 3' стрелочки у поста. Спасибо за внимание!
Ещё одно прочтение старого мема "Бог накажет"
Вчера прочёл статью о том, что в лаборатории впервые был получен полный набор нуклеотидов для синтеза РНК. Это был усовершенствованный эксперимент Миллера-Юри. А ещё припомнил статью, в которой говорилось о том, что РНК способны самосинтезироваться. Поделился с друзьями. И тут мои верующие друзья начали наперебой утверждать, что Это бог впервые провел эксперимент по синтезу РНК на древней Земле... И что это бог слепил первые РНК и ДНК, а они уже дальше сами...
В связи с этим создал такую картинку из уже заезженного мема.
Происхождение жизни #5. Скрытая роль солнца
Часть 1. Улики
Вообще изучение путей происхождения жизни чем-то напоминает детективную работу, ведь все следы древних молекул полностью уничтожены за миллиарды прошедших лет, а значит объект изучения отсутствует. И, по сути, у современных учёных на руках лишь "улики", из которых я условно выделю три.
Первая "улика" это молодые планетарные системы, состоящие из космической пыли, которая осталась после смерти звёзд. Благодаря огромным телескопам, мы можем определить их количественный и качественный состав за счёт спектрального анализа - и провести параллели с нашей планетарной системой, какой она была 4 миллиарда лет назад.
Таким методом мы узнали, что космическая пыль состоит в основном из 4-х химических элементов, являющихся основой жизни - это водород, углерод, кислород и азот. Причём на самой планете основные элементы это железо, кремний и кислород - такая вот интересная (не)состыковочка.
Вторая "улика" это геологические данные. Они позволили выяснить состав и условия окружающей среды древней Земли: примерную температуру, состав океанов и атмосферы. Благодаря анализу древних пород, мы узнали, что наша планета когда-то была богата фосфором, без которого невозможно образование ДНК и РНК.
На данный момент весь фосфор Земли находится в связанном состоянии в составе минералов, поэтому если жизнь вдруг "попробует" зародиться, это окажется большой проблемой. Однако раньше фосфора было много, и за это надо сказать спасибо кометным дождям, которые нынче (и к большому счастью для нас) не идут.
Ну а третья улика это сама жизнь. Пусть она и прошла чудовищно длинный путь от первых самокопирующихся молкул, некоторые её элементы несут отпечаток той самой протожизни. Это не только генетический код, но и химический состав древнейших белков и РНК.
Собственно, этот самый химический состав и подарил учёным важнейшие данные для анализа - все базовые соединения оказались богаты определённым металлом, а именно цинком :
А на Земле, даже на современной, есть место, где цинк играет определяющую роль в химический реакциях - это подводные термальные источники под названием "белые курильщики".
Минералы, слагающие эти "деревья", пронизаны сетью пор и каналов, и идеально соотвествуют условиям, в которых первым молекулам было бы комфортно взаимодействовать в мельчайших порах, которые выполняли бы роль пробирок.
Однако со временем стало понятно, что водная среда ставит серьёзные ограничения на ход химических реакций, не давая образовываться сложным химическим соединениям. Такой вот парадокс - без воды жизнь не могла появиться, но когда её слишком много, тоже плохо. Получается, надо было искать какие-то особые условия, и учёные без устали ставили и ставили эксперименты, пытаясь найти заветный химический путь.
И данная проблема была актуальна вплоть до последнего десятилетия, пока учёные не достали из закромов ультрафиолетовую лампу.
2. Нуклеотиды и солнце
Напомню, нуклеотиды это не самые молекулы, которые отвечают за хранение информации в ДНК:
Их всего 4 - Цитозин, Гуанин, Аденин, Тимин (в РНК вместо тимина урацил, но не суть важно), и они связываются парами, образуя ту самую спираль ДНК. Так вот, в 2011 году учёные смогли создать ДНК на основе 6-ти нуклеотидов - они просто синтезировали ещё два (естественно стыкующихся друг с другом) нуклеотида и включили их в существующую цепь. В результате испытаний выяснилось, что эти искусственные звенья хорошо встраиваются в ДНК и РНК обычными природными ферментами, и вообще прекрасно себя чувствуют (видимо потому что мясо не едят).
Какой из этого следует вывод? Видимо такой, что в качестве нуклеотидов могут быть любые схожие соединения, умеющие образовывать пары - значит наши 4 нуклеотида были отобраны природой по неким ранее неизвестным признакам. Ииииии после множества тестов этот признак отбора был определён: им оказалась устойчивость к ультрафиолету. Природные нуклеотиды, используемые в ДНК и РНК, намного успешнее своих аналогов противостояли жёсткой солнечной радиации. Они настолько круты, что даже защищали саму цепочку ДНК от разрушения.
Тут вывод настолько очевиден, что чуть ли не банален - это означает, что отбор нуклеотидов производился на солнечном свету, то есть на поверхности планеты. Теперь у нас три основных критерия для колыбели жизни:
- наличие определённых металлов в концентрациях, превышающих фоновые (цинк, кобальт, марганец),
- наличие фосфора, без которого цепочки ДНК и РНК не возникли бы
- солнечный ультрафиолет,
- наличие воды, но в меру.
Такому набору условий чётко отвечает только горячие источники вблизи вулканов, а именно так называемые грязевые котлы, или фесселиты.
Они обогащены именно теми элементами, которые накапливают все современные клетки (это общее, а следовательно древнее свойство): калием, фосфором, азотом и микроэлементами: цинком, марганцем, молибденом и бором (в следующих постах мы увидим, что молибден и бор очень важны для появления РНК).
Натрия в них немного, и соотношение калий/натрий получается близким к внутриклеточной среде (об этом рассказывалось в предыдущих постах). Правда, современные грязевые котлы содержат много серной кислоты, которая получается при реакции сероводорода с кислородом воздуха, и практически необитаемы. Но в древние эпохи, когда кислорода в атмосфере еще не было, грязевые котлы должны были иметь нейтральную среду и быть пригодными для жизни.
А при ближайшем рассмотрении этих котлов оказалось, что они предоставляют почти всё необходимое для зарождения жизни:
• среду, обогащенную калием, фосфором и необходимыми микроэлементами;
• местообитание со встроенным источником тепла, с практически постоянными условиями независимо от капризов погоды;
• пористые минеральные осадки, работающие в качестве катализаторов и предоставляющие огромное количество раздельных микроотсеков для обитания доклеточных форм жизни;
• испаряющиеся лужи, в которых могут накапливаться органические вещества и благодаря высокой концентрации солей и формамида может идти образование цепочек РНК и белков,
Никакие другие местообитания не обладают сразу всеми этими достоинствами. Например, в «курильщиках» нет обогащения калием и фосфором, нет ультрафиолета и нет накопления веществ в испаряющихся лужах. Так что грязевые котлы наземных геотермальных полей на сегодня представляются самым вероятным местом появления жизни.
продолжение следует...
...
PS Напоминаю, что все посты серии основаны на прекрасной книге М. Никитина Происхождение жизни. От туманности до клетки". (да, я пишу это в каждом посте и буду писать дальше, ибо книга огонь)
Ещё учтите, что в посте исходные главы книги сокращены процентов на 80, а также не включены всякие сложные схемы и уравнения химических реакций, типа таких:
Я это к тому, что в первоисточнике аргументация намного шире и подробнее, чем в моём поверхностном конспекте. В общем, советую всем читать книгу, а не ждать моих попыток переложить её на доступный язык с сопутствующей потерей многих нюансов. Книга конечно получилась очень и очень хардкорная, но общие концепции, написанные в ней, может понять любой человек, помнящий школьный курс химии и биологии (и немного физики с астрономией).
Ну и ссылка на предыдущие посты для заинтересовавшихся: 1, 2, 3, 4. И заранее извиняюсь за повторения, хочется чтобы каждый пост был цельным по повествованию, а не выглядел оторванным и незавершённым куском.
Где возникла жизнь (#4)
Это четвёртый пост серии, и его вполне себе можно читать в отрыве от первых трёх, но ссылки на всякий случай оставлю - 1, 2 и 3.
Часть 1. Введение
В чём сложность изучения происхождения жизни?
Во-первых, её уникальность. Всё указывает на то, что наблюдаемая нами жизнь зародилось всего один раз, ведь генетический код у абсолютно всех живых организмов одинаков. Однако учёные чаще всего изучают и определяют именно закономерности, графики, выводят статистику, а тут приходится изучать всего одно событие. Понятное дело, график по одной точке не строится (и это одна из причин, по которой поиск инопланетной жизни в любом виде очень важен - ведь он поможет разобраться с жизнью земной).
Во-вторых, безжалостное время. Первые следы жизни найдены около 3-4 млрд лет назад, причём это не отпечатки (явные отпечатки цианобактерий датированы 2,15 млрд лет), а минеральные отложения, так называемые биомаркеры, оставляемые клеточными формами жизни в результате жизнедеятельности. Мы можем узнать их, потому что метаболизм у типичных бактерий с тех пор не претерпел изменений, он как и раньше основан на простейших реакциях. Однако вся органика с тех суровых метеоритно-вулканических времён не сохранилась, поэтому без машины времени мы никогда не сможем узнать точную химическую формулу молекулы, с которой всё началось.
(картинка взята из интернета, но художник не учёл что атмосфера тогда не была прозрачной, а бескислородные небо - голубым)
По указанным причинам происхождение жизни в 20м веке изучалось в основном концептуально. Конечно, были опыты вроде эксперимента Миллера-Юри, где предположительный состав древней атмосферы в растворе (так называемый "первичный бульон") подвергали воздействию тепла и электрического тока и получали органику, только вот состав был предположительный и позже выяснилось, что он соответствует газовым гигантам, но никак не каменным планетам типа Земли и Марса.
Самый крутой прорыв в части фундаментальных обоснований происхождения жизни сделал биофизик Илья Пригожин, получивший в 1977 году Нобелевскую премию за создание модели неравновесной термодинамики, где с математической точки зрения обосновано самопроизвольное появление "порядка" из "хаоса" (так называемое снижение энтропии) при условии подвода энергии извне - а для этого у нас имеется огромное раскалённое солнце и периодически рвущиеся наружу недра планеты.
В любом случае, по-настоящему, то есть с суровой конкретикой и воспроизводимыми опытами, учёные изучают происхождение Земли лишь последние 10-20 лет. Для этого пришлось придумать множество самых точных приборов, создать огромную базу геномов живых организмов (в том числе вирусов), и в итоге сделать то, чем обычно занимается наука - количественно накопить знания для качественного прорыва.
Часть 2. Детективная история
Жизнь не сохранилась в первоначальном виде, но всё живое, что нас окружает - всё уходит корнями именно в неё. Поэтому почему бы нам не попытаться определить нечто общее, то есть те свойства, которые присущи всем живым организмам на самом базовом уровне, и попытаться по этим "уликам" что-нибудь узнать о "первожизни"?
Например, ещё в 1920 году учёные обратили внимание, что относительный состав солей в крови человека, да и всех позвоночных, подозрительно совпадает с составом солей в морской воде. А всё потому, что первые животные возникли в море и поначалу не имели почек или других систем регуляции состава солей в межклеточных жидкостях своего тела. А к тому времени, когда у животных появились эффективные почки, многие процессы в разных органах уже были завязаны на "морской" состав солей в крови.
Поэтому млекопитающие, предки которых вышли на сушу более 300 млн лет назад, до сих пор носят в крови соли в том же соотношении, что и их далекие предки, хотя на суше необходимые соли (прежде всего хлориды) в дефиците. Поэтому соленая пища, содержащая хлорид натрия, для нас более вкусна, чем пресная.
Теперь рассмотрим более базовую вещь, чем состав крови - это солевой состав внутриклеточной цитоплазмы. Дело в том, что современные клетки имеют сложные регулирующие системы и наружные мембраны, отвечающие за поддержание внутреннего состава. Доклеточная "первожизнь" не имела собственных мембран, поэтому приспосабливалась и использовала ресурсы окружающей среды, состав которой отпечатался в цитоплазме.
Здесь мы видим много калия и мало натрия (красный в таблице) - соотношение, принципиально отличающееся как от "современной" морской воды, так и от "древней" морской воды (инфа от геологов).
Ещё одна улика - высокая концентрация ионов переходных металлов, прежде всего железа и цинка, а также марганца и меди (синий квадрат).
Если железо широко распространено и в неживой природе, то медь, марганец и особенно цинк содержатся в клетках в очень большом количестве по сравнению с внешней средой. Концентрация цинка в клетках в миллион раз выше, чем в морской воде(!). Получается, искомая среда, та самая колыбель жизни, обладает вполне определённым химическим составом, кардинально отличающиеся от морской воды и пресноводных источников.
Часть 3. Геотермальные источники
На фото один из видов геотермальных источников - «черные курильщики» - открытый в 1977 году на срединно-океаническом хребте в Атлантике.
На фото мы видим, как при контакте геотермальной воды с океанской первая охлаждается, и из нее сначала выпадают сульфиды железа, меди и никеля, имеющие черный цвет. При дальнейшем охлаждении, в диапазоне температур 200–300 °C, из воды выпадают сульфиды цинка и марганца, покрывающие белым ковром дно вокруг «черных курильщиков».
И да, это тот самый состав, который соответствует набору химических элементов цитоплазмы, общему для всех живых организмов.
Вообще, «черные курильщики» обладают и другими свойствами, полезными для зарождения жизни:
1) Минеральные осадки пронизаны громадным количеством пор, соответствующим по размеру бактериальным клеткам. Они образуют сложный лабиринт, в котором могут в относительной изоляции размножаться разные доклеточные формы жизни.
2) Сульфидные минералы, которые откладываются вокруг «черного курильщика», являются отличными катализаторами разных химических реакций. Более того, в состав многих современных клеточных ферментов входят неорганические кластеры – наночастицы некоторых минералов. И это именно те минералы, которые образуются в «черных курильщиках».
3) В «черных курильщиках» и других геотермальных источниках существуют устойчивые мощные градиенты температуры и химического состава, совершенно необходимые для жизни. В условиях перепада температур растворенные крупные молекулы, такие как РНК (те самые предшественники ДНК из прошлого поста) и белки, могут двигаться от тепла к холоду, повышая концентрацию молекул.
Все это делает «черные курильщики» подходящим местом для появления жизни, и происходящие в них процессы привлекли пристальное внимание ученых. Сейчас существует две хорошо разработанные теории происхождения жизни в связи с геотермальными источниками: «железосерного мира» и «цинкового мира». Обе они предлагают решение сразу многих проблем на пути появления жизни, включая получение углерода для синтеза органики и образование биополимеров.
Часть 4. Железо или цинк?
В результате всех изысканий, учёные наметили два возможных пути (то есть конкретные химические реакции), по которым мог осуществляться синтез органики. Первый предполагает наличие превалирование железа над цинком, второй наоборот, цинка над железом.
Для примера посмотрим "железносерный" вариант (для общего понимания дальнейшего текста разбираться в нём не обязательно):
H2S + FeS → FeS2 + 2 [H],
CO2 + 4 H2S + 3 FeS → CH3SH + 3 FeS2 + 2 H2O,
N2 + 3 H2S + 3 FeS → 2 NH3 + 3 FeS2,
R-CO-COOH + NH3 + FeS + H2S → R-CHNH2-COOH + FeS2 + H2O.
В целом в условиях «черного курильщика» возможен синтез большого разнообразия органики, едва ли не больше, чем в опытах Миллера.
Итак, по первой теории жизнь зарождалась в среде, где было очень много растворенного цинка. Он мог включаться в структуры РНК и первых белков и сохраниться там до наших дней. Если же жизнь вышла из «черных курильщиков», то скорее можно ожидать, что в РНК и древних белках будет содержаться железо. Собственно, вот так выглядит анализ всех известных РНК (ещё раз напоминаю, что молекулы РНК обоснованно претендуют на звание предшественника ДНК, поэтому к ним столько внимания):
Как мы видели в таблице из части 2 (синий квадрат), цинк по общему содержанию в клетках сравним с железом и превосходит все прочие переходные металлы. А в РНК железо отсутствует, цинк при этом встречается чаще других металлов.
Цинком также обогащены самые древние белки и ферменты с древними функциями. Из 49 универсальных белков (таких, которые присутствовали во всех прочитанных на 2008 год геномах - то есть они с большой долей вероятности имелись у "первожизни") 37 содержат цинк, 19 – марганец и только 3 – железо. Таким образом, можно сказать, что содержание металлов в клетках подтверждает теорию «цинкового мира», а не «железосерного».
Однако я сознательно умолчал об одном из основных условий существования цинкового мира, и это условие (вкупе с другими свидетельствами) кардинально меняет наше представление о месте появления жизни. Существование этого условия переносит возникновение жизни со дна океана совсем в другие места, во многом схожие с чёрными курильщиками, но вместе с тем имеющие принципиальные различия.
продолжение следует...
Бонус
Материал из поста в виде лекции: https://www.youtube.com/watch?v=vRWVFlqW9Sk&t=34s
PS Напоминаю, что все посты серии основаны на прекрасной книге М. Никитина "Происхождение жизни. От туманности до клетки".
Происхождение жизни #3
Если кого-то пугает цифра три в названии, не надо пугаться, посты (предыдущие 1 и 2) написаны так, что можно их читать с любого места. В лучших традициях американских сериалов представляю очень краткое содержание предыдущего поста:
Известный всем по школьной программе эксперимент Миллера-Юри, направленный на поиски возможных путей происхождения жизни был проведён в относительно недалёком 1953 году. Пропуская ток через смесь, состоящую из метана, аммиака, водорода и оксида углерода, которые по логике должны были содержаться в атмосфере древней Земли (правда потом оказалось что её состав совсем другой, но про это в другом посте), учёные надеялись обнаружить нечто органическое.
И это им удалось. После несколько дней работы установки Стэнли Миллер (на фото) и Гарольд Юри получили набор самой настоящей органики, включая аминокислоты - те самые кирпичики из синтеза белка. И это был реальный прорыв.
Но вот незадача - чем больше открывали, тем больше обнаруживалось принципиальных проблем, таких как:
-неупрощаемая сложность клеток,
- хиральность,
- открытие состава древней Земли, отличного от того что был в эксперименте Миллера-Юри (при пропускании тока получалась не органика, а копоть),
- вода мешает образованию длинных органических молекул;
- на планете отсутствует свободный фосфор, без которого невозможно получить ДНК.
А сейчас я предлагаю пройти весь путь, который преодолели учёные, решая эти проблемы. Возможно местами будет сложно, но по другому не получится.
Часть 1. ДНК, дискета и 3D-принтер
Главная молекула жизни это, как известно, ДНК. Она единолично хранит генетическую информацию вида, передавая её из поколения в поколение, временами с небольшими изменениями.
Но у неё есть младшие сёстры - молекулы РНК. Структурно это "лайт-версии" ДНК, отличающиеся лишь присутствием гидроксильной группы в химической формуле, из-за чего РНК не могут сплетаться в классическую двойную спираль.
До 1970 года РНК считалась лишь скромным посредником между ДНК и белками - ведь обычно в клетке генетическая информация копируется с ДНК на РНК, и потом по «оттиску» РНК (так называемая матричная РНК или мРНК, см. на картинке) синтезируются белки (если кому интересно, 1 и 2 посты об этом процессе).
Так что же изменилось в 1970 году? Тогда были открыты РНК, обладающие каталитической активностью, или рибозимы. К тому моменту уже были известны вирусы, хранящие генетическую информацию на молекулах РНК, и часть из них способна даже переписывать генетическую информацию с РНК на ДНК. Но только с открытием рибозимов стало понятно, что РНК может заменять белки в качестве катализаторов химических реакций.
Тут надо заметить, что молекула ДНК хоть и является основой жизни, но, вообще говоря, сама по себе вообще ничего не может. Как дискета, она способна лишь хранить информацию, для считывания которой нужен дисковод. В живой клетке роль дисковода выполняет целый обслуживающий комплекс из белковых молекул со страшными названиями типа ДНК полимераза III (см. картинку).
Так вот, чертежи белков записаны в ДНК, но чтобы эти чертежи считать и построить молекулы, нужны белки. Образно говоря, чтобы сделать 3D принтер, нужен другой 3D принтер.
Очень продолжительное время это и было главной загадкой жизни, пока не обнаружились неожиданные свойства рибозимов, которые могут хранить генетическую информацию и одновременно проявлять химическую активность. В результате появилась теория «мира РНК», согласно которой самокопирующиеся рибозимы стали первыми, очень простыми живыми системами. Судя по всему, они начали дарвиновскую эволюцию задолго до появления клеток и со временем, по мере усложнения, передали каталитические функции белкам, а длительное хранение наследственной информации – ДНК.
Выяснилось, что рибозимом является и ключевой каталитический центр рибосомы, организующий синтез белка - а это важнейшая молекула, обеспечивающая считывание генетического кода (вообще рибосоме и изучению её эволюции будет посвящён отдельный пост). На картинке так называемая большая субъединица рибосомы:
Наличие рибозима в самой сердцевине этой гигантской белковой молекулы говорит о её древнейшем происхождении. Также в клетках учёные обнаружили отдельные рибозимы, выполняющие те или иные каталитические функции наравне с белками, что явно неспроста.
За окном шёл 1970 год. РНК - первично - сказали биохимики. А вы поясните за термодинамику - ответили биофизики.
Часть 2. Энтропия и химические реакции
Термодинамика это наука о взаимных превращениях работы и энергии, и как раз её присутствия учёные-биофизики в теории "мира РНК" как раз и не заметили. Мало было заявить - вот он, предшественник ДНК. А вы обоснуйте, как этот предшественник получал энергию для существования, хотя бы в теории, ведь жизнь без источника энергии появиться и размножаться никак не сможет. Поэтому тем как перейти непосредственно к поиску колыбели жизни, мы рассмотрим энергетическую основу.
В термодинамике есть ключевое понятие под названием энтропия, попытка объяснить которое займёт целый пост. Чтобы не мучаться самому и не мучать вас, предлагаю желающим прочитать очень подробную статью на гиктаймс.
В общем случае, энтропия - это то, как много информации вам неизвестно о системе, поэтому её ещё называют мерой хаоса. И, согласно второму закону термодинамики, энтропия замкнутой системы не убывает. Иначе говоря, в замкнутой системе "порядок" не должен возникать сам по себе.
Это, казалось бы, налагает запрет на возникновение более организованных структур из менее организованных, то есть на прогрессивную эволюцию (ведь бывает эволюция, связанная с упрощением, в основном у паразитов). Собственно, из-за этого "казалось бы" все посты про эволюцию и происхождение жизни напоминают симпозиум диванных специалистов по термодинамике:
Однако сторонники божественного вмешательства по незнанию или специально игнорируют тот факт, что в законе упоминается только замкнутая система. Однако любой живой организм нуждается во внешних источниках энергии. Растения получают ее в виде солнечного света, а животные – в виде пищи, энергия которой в ходе цепочки превращений также получена благодаря солнцу. Поэтому система под названием "живой организм" является открытой - она получает энергию от окружающей среды.
Если же рассмотреть систему "Земля - Солнце", то её энтропия по определённым причинам (так называемое "обесценивание" энергии) со временем растет, несмотря на возникновение и эволюцию земной жизни.
Очень важную роль в развитии теории абиогенеза сыграл советский учёный Илья Пригожин, получивший в 1977 году Нобелевскую премию за создание модели новой, неравновесной термодинамики.
Он установил, что в открытых системах (системы, которые могут обмениваться веществом, энергией, информацией) могут спонтанно возникать самоорганизующиеся структуры, переходящие от беспорядка ко вполне упорядоченным состояниям с понижением энтропии. А всё благодаря существованию флуктуаций - случайных отклонений некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения.
Примером такой структуры является реакция Белоусова -Жаботинского (по совместительству являющаяся одним из главных химических открытий 20 века), а именно окисление лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора:
На первый взгляд кажется, что здесь ничего особенного не происходит. Однако в основе этой картины лежит автоколебательная химическая реакция (а до её открытия считалось что автоколебательные реакции невозможны) с образованием более 30 промежуточных продуктов.
Примеров таких структур много - ими, к примеру, являются циклоны, по сути самоорганизующиеся структуры в атмосфере Земли.
Самое главное, Пригожин в своей модели неравновесной термодинамики доказал, что в открытых системах чисто статистически возможно появление порядка из хаоса, а значит с точки зрения термодинамики возникновение жизни есть лишь один из частных случаев самоорганизации.
3. Вместо итога
С точки зрения термодинамики жизнь имеет конкретные общие черты с неживыми самоорганизованными структурами, однако при всё при этом живые организмы обладают важным отличием от циклонов и реакции Белоусова -Жаботинского. Самоорганизованные неживые структуры непостоянны: они возникают всякий раз, когда есть условия для их появления, и исчезают вместе с ними.
А любой современный живой организм, в отличие от них, обладает эволюционной историей, уходящей на четыре миллиарда лет в прошлое. Такая историческая память обеспечивается молекулами ДНК, и в следующих постах мы попытаемся разобраться, как из химических самоорганизованных структур возникла жизнь, основанная на наследственной информации.
И да, дальше будет больше конкретики - мы рассмотрим конкретные химические вещества и источники энергии, которые могли стать основой жизни на древней Земле, то есть попробуем найти для жизни настоящую колыбель.
...
P.S .Все посты основаны на прекрасной книге М. Никитина "Происхождение жизни. От туманности до клетки".
Сможете найти на картинке цифру среди букв?
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi
Как генерировать и заказывать qPCR праймеры
qPCR - полимеразная цепная реакция в реальном времени эффективный метод определения экспрессии генов, на основе амплификации исходного объёма мРНК. Для выбора генного сектора амплификации требуется пара олигонуклеотидных праймеров 3'-Front и 5’-Reverse, которые помечают участок амплификации. Этот материал расскажет как без особого опыта и знаний создать дизайн праймеров и заказать их синтез.
http://useast.ensembl.org/index.html
Для начала нужно определить индекс транскрипта для выбранного гена. В этом примере мы рассмотрим ген кодирующий протеин CXCL5 так же нужно выбрать биологический вид, с которым мы работаем, зависит, откуда вы извлекли вашу РНК, в данном примере это мышь CL57BL6. Теперь нажмите "Go" для поиска.
И из полученного списка важно выбрать не сам ген, он обычно идёт первым в поиске, а именно транскрипт.
Теперь нажимите на транскрипт в полученном списке нужно скопировать Transcript ID в абсолютном большинстве проектов нас интересует протеин кодирующий Protein coding, не содержащий интрона в этом примере Transcript ID следующий: ENSMUST00000031318.5
https://lifescience.roche.com/en_us/brands/universal-probe-library.html
Дальше нам на основании полученного Transcript ID нужно определить нуклеотидную последовательность сделать это можно здесь на сайте Roche LifeScience в онлайн системе Universal Probe Library.
Нажмите Assay Design Center и начните с выбора целевого организма. Опять же в данном случае это мышь Mus musculus (Mouse). Теперь впишите в строку Specify your target(s) Transcript ID полученный выше и нажмите Enter или копку Design.
Собственно вот и результат:
CXCL5 3’ tcttgggtgtgttaagagtgttct
CXCL5 5’ cacagcagctttctaaaaccataa
В системе Universal Probe Library прямой праймер 3’ называется left primer, а обратный 5’ right primer, но не суть. Собственно это готовая последовательность qPCR праймеров для синтеза. Чуть ниже сиквенса можно посмотреть карту транскрипта относительно всего гена.
Если вы получили предупреждение об отсутствии интронной сепарации в дизайне праймера, обязательно проведите цикл обработки ваших РНК образцов ДНКазами, для полной фрагментации остаточной ДНК, так как без интронного разделения праймеры могут амплифицировать как cDNA так и обычную ДНК, что может сильно повлиять на конечный результат. Обрабатывать выделенный образец РНК, ДНКазами нужно сразу после извлечения и, разумеется, до синтеза cDNA иначе ДНКазы разберут и её.
Собственно с первым этапом определения Transcript ID можно было бы особенно не заморачиваться, а сразу ввести интересующий нас ген в Universal Probe Library, но тут можно допустить ошибку. Дело в том, что Universal Probe Library предлагает самые разные варианты транскриптов с куда меньшим объёмом сопровождающей информации, закажешь по ошибке не кодирующий или просто не тот конструкт, а потом будешь гадать, почему амплификация не происходит и вместо результатов, qPCR показывает шум. Мелкая ошибка или невнимательность, которая может стоить месяцев работы впустую.
Итак, осталось заказать нуклеотидную последовательность. Фирм которые предоставляют такие услуги множество, выбор часто зависит от того с кем у вашей лаборатории заключён контракт на обслуживание или если на кампусе есть олигонуклеоитидный сиквенсер. Я обычно заказываю через сайт Thermofisher
https://www.thermofisher.com/order/custom-oligo/enterSequences
Всё что нужно это указать название вашего гена, использовать можно только буквы и цифры. Затем нужно вписать название олигонуклеатидной цепи и указать нуклеатидную последовательность. Затем нужно нажать Add Oligo и повторить процесс для обратного праймера. Осталось нажать Add to cart и перейти к оплате. Цена за одну последовательность 5$ при условии, что используется объём в 25 nmole, стандартный режим очистки и доставка в лиофилизированном виде, хотите уже готовый к использованию праймер можно доплатить ещё около 5 долларов и получить готовое разведение, но RNAse free water стоит дешево и лучше разводить праймеры самому. К тому же лиофилизат, хранится намного дольше.
Разумеется, это полностью автоматический режим синтеза праймеров для qPCR, при желании и понимании того как работает процесс амплификации вы можете выбрать другой фрагмент создать свой собственный праймер с интронной сепарацией, протестировать несколько вариантов праймеров с вашим qPCR оборудованием, и так далее для этого существует масса программного обеспечения например https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast/, но это тема другого большого поста. Этот гайд больше для тех, кому нужно готовое решение для немедленного практического применения. Определение правильного сиквенса можно опустить и сразу перейти к заказу последовательности, если вы копируете праймеры из уже опубликованной статьи, однако и тут могут быть подводные камни, не всему что опубликовано в научных журналах можно безоговорочно доверять.
Удачных амплификаций и чистых результатов.