Мікросвіт
Категорії / Біологія / Мікросвіт / Навіть крихітний вірус має потужний міні-двигун

Навіть крихітний вірус має потужний міні-двигун

Віруси – це дрібні утворення. Їх неможливо побачити за допомогою звичайного світлового мікроскопа, а лише під електронним мікроскопом. Вони не є живими організмами, оскільки не можуть здійснювати необхідний внутрішній обмін речовин для підтримки життя, а також не можуть розмножуватися. Вони є інфекційними частинками, що складаються з ДНК (або РНК) й білка та можуть розмножуватися, лише захопивши під свій контроль відповідні механізми зараженої ними живої клітини. Інфікована клітина виробляє кілька копій вірусу, а потім гине, вивільняючи нові віруси, щоб цикл міг повторитися.

Віруси бувають різних розмірів, форм та конструкцій і діють досить різноманітно. Одним з найпоширеніших типів є бактеріофаг (або просто «фаг»), який інфікує бактерії. Він складається з білкового трубчастого хвоста та білкової головної капсули (капсиду), що містить ДНК, упаковану під високим тиском, що сприяє ін’єкції ДНК в інфіковану клітину.

Як вірусу вдається тримати цю довгу інформаційну молекулу щільно під високим тиском всередині такого невеликого об'єму капсиду, особливо коли негативно заряджені фосфатні групи відштовхують одна одну? Він має спеціальний пакувальний двигун, потужніший за будь-який молекулярний двигун, який коли-небудь був відкритий, і навіть потужніший за м’язи. Дуглас Сміт, доцент кафедри фізики в Каліфорнійському університеті Сан-Дієго, пояснив проблему:

«Геном віруса приблизно в 1000 разів перевищує його діаметр. Це еквівалентно намотуванню та пакуванню 90 метрів волосіні в кавову чашку, хоча вірус може упакувати свою ДНК менш ніж за п’ять хвилин».1

Доктор Сміт та деякі колеги з університету приєдналися до дослідників з Американського католицького університету (Вашингтон, округ Колумбія) для вирішення проблеми.2 Вони проаналізували бактеріофаг Т4 – вірус, який інфікує бактерії кишкової палички, тип бактерій, що живе в кишківнику людини – використовуючи «лазерний пінцет» для утримання однієї молекули ДНК і вимірюючи силу пакувального двигуна.

Вони показали, що цей двигун діє з силою > 60 піконьютонів. Це нібито небагато (6 × 10⁻¹¹ Н), але якщо порівняти розміри, то він вдвічі потужніший за автомобільний двигун. Отже, двигун, або ферментний комплекс термінази «може захопити й розпочати упаковку молекули ДНК протягом декількох секунд».2

Такий двигун повинен витрачати багато енергії, оскільки фосфатні групи негативно заряджені, а отже відштовхують одна одну. Тож за одну секунду двигун споживає понад 300 одиниць енергетичного резерву. Цим енергетичним резервом є молекула АТФ (аденозинтрифосфат)3, яка генерується за допомогою чудового молекулярного двигуна АТФ-синтази.4 Вірус має додатковий двигун-фермент АТФазу, вбудований в його пакувальний двигун для вивільнення енергії АТФ.

Пакувальний двигун є не лише потужним, він може змінювати швидкість, ніби він має систему перемикання передач. Дослідники кажуть, що це важливо, оскільки ДНК, яка надходить з клітини, швидше за все, не є прямою розплутаною ниткою. Доктор Сміт сказав:

«Подібно до того, як для автомобіля добре мати гальма та передачі, а не лише проїжджати 60 миль на годину, двигуну, що упаковує ДНК, може знадобитися уповільнення або зупинка, якщо трапиться перешкода».1

Далі ми читаємо:

«Це може дати можливість ремонту, транскрипції або рекомбінації ДНК – обмін частинками ДНК для посилення генетичного різноманіття – статись до упаковки генетичного матеріалу всередині вірусної капсиди».1

Інші життєво важливі механізми

Цей двигун – лише черговий приклад складності, яка необхідна для існування навіть таких форм життя, як віруси, не кажучи вже про реальне життя.

Оскільки для життя потрібні довгі молекули, щоб зберігати інформацію й передавати її наступному поколінню, також повинні існувати механізми, які допоможуть розібратися з їх громіздкою інформацією й дуже специфічними фізичними властивостями, перш ніж життя зможе розпочатися хоча б хімічною еволюцією.

Ось ще дві машини, які допомагають розібратися з довгими нитками ДНК, щоб життя могло функціонувати.

Розділення подвійної спіралі

Для реплікації подвійний ланцюжок повинен бути розділеним, щоб можна було зробити копію. Ланцюжки розділяються молекулярним двигуном, який називається геліказа. Це кільцеподібна молекула, що знаходиться на місці роз'єднання ланцюжків. Один ланцюжок проходить крізь отвір гелікази, інший відводиться в бік.5

Геліказа не просто так собі лежить в місці роз'єднання ланцюжків ДНК; дослідники з Корнельського університету показали, що вона бере активну участь в роз'єднанні.6 Дослідниця-член команди, Мішель Ванг, сказала:

«В основному це активний двигун для розмотування».7

Однак розмотування відбувається набагато швидше в клітинах, ніж у пробірці, тому доктор Ванг припустила, що «допоміжні білки допомагають геліказі, дестабілізуючи молекулярні з'єднання в місці роз'єднання».

Оскільки реплікація життєво необхідна для життя, геліказа вкрай важлива для всіх живих організмів. Колега доктора Ванг Сміта Патель також зазначила:

«Гелікази беруть участь практично в усіх метаболічних процесах ДНК та РНК».

Далі, як пояснила доктор Патель, «дефекти геліказ пов’язані з багатьма захворюваннями людини, починаючи від схильності до раку й закінчуючи передчасним старінням». Отже, походження таких складних механізмів та джерела енергії є ще однією проблемою для хімічної еволюції.

Транскрипція та двигун для скручування

Навіть копіювання частини ДНК в мРНК, щоб її інформація була прочитана, вимагає складних механізмів. Сюди входить фермент, який називається РНК-полімераза, що складається з чотирьох білкових ланцюгів. І ще один білок вказує РНК-полімеразі, з чого починати зчитування матриці ДНК. Потім ферментний комплекс рухається вздовж ланцюга ДНК, додаючи відповідні літери РНК по черзі та зупиняється в потрібному місці.

Річард Ебрайт та його команда з Університету Рутгерса виявили більше нюансів у цьому процесі транскрипції8 9 10 Справді, саме ця мРНК перетворюється на білки в складних машинах, відомих як рибосоми.

ДНК є дволанцюговою молекулою, а копіюється лише один ланцюг. Тому для копіювання ДНК її потрібно розмотати. Копіювальна машина, яка має назву РНК-полімераза (RNAP), спочатку фіксується на початку гена (тобто послідовності, що кодує білок). Потім закріплена RNAP вмотується в ДНК – процес, який називається скручування.11 Це розкриває подвійний ланцюг, щоб могла сформуватися копія мРНК з одного з них.

Окрім того, процес розплітання накопичує енергію, подібно до скрученої гумки іграшкового літачка. І так само, як в іграшковому літачку, ця енергія врешті-решт вивільняється. Це допомагає скрутити розмотану ДНК, яка потім виходить із задньої частини машини.12

Висновок

Життя залежить від довгої дволанцюгової інформаційної молекули ДНК. Остання не змогла б функціонувати без машин, здатних працювати з такими довгими дволанцюговими молекулами. Проте інформація про ці машини закодована на самих ланцюжках! Ці машини потребують, щоб двигун АТФ-синтази генерував та використовував енергію, але цей двигун також кодується на ДНК. Коду потрібні машини, а машинам – код.

Життя представляє нам безліч проблем типу «курка чи яйце», на які теоретики-натуралісти не мають відповіді. Креаціоністи можуть відповісти – спочатку Бог створив повністю функціональну курку, яка потім відклала яйце. Проблема вирішена!

Вас також може зацікавити:

Посилання:

  1. Powerful Molecular Motor Permits Speedy Assembly of Viruses, Physorg.com, 29 October 2007.

  2. Fuller, D.N., Raymer, D.M., Kottadiel, V.I., Rao, V.B. and Smith, D.E., Single phage T4 DNA packaging motors exhibit large force generation, high velocity, and dynamic variability, Proceedings of the National Academy of Sciences, US 104(43):16868–16873, 23 October 2007.

  3. Bergman, J., ATP: The Perfect Energy Currency for the Cell, CRSQ 36(1) June 1999

  4. Sarfati, J., Design in living organisms (motors), Journal of Creation 12(1):3–5, 1998; .

  5. Mechanism of T7 Primase/Helicase (includes animation).

  6. Johnson, D.S., Bai, L., Smith, B.Y., Patel, S.S., Wang, M.D., Single-molecule studies reveal dynamics of DNA unwinding by the ring-shaped t7 helicase, Cell 129(7):1299–1309, 29 June 2007.

  7. Researchers solve mystery of how DNA strands separate, Physorg.com, 3 July 2007.

  8. Nanotech tools yield DNA transcription breakthrough, Physorg.com, 16 November 2006.

  9. Revyakin, A. et al., Abortive initiation and productive initiation by RNA Polymerase involve DNA scrunching, Science 314(5802):1139–1143, 17 November 2006.

  10. Kapanidis, A.N. et al., Initial transcription by RNA polymerase proceeds through a DNA-scrunching mechanism, Science 314(5802):1144–1147, 17 November 2006.

  11. Roberts, J.W., RNA Polymerase, a Scrunching Machine, Science 314(5802):1139–1143, 17 November 2006 (comment on refs 9 and 10).

  12. See also Sarfati. J., More marvellous machinery: ‘DNA scrunching’, J. Creation 21(1):4–5, 2007.