Самозародження життя

Статті / Еволюціонізм / Самозародження життя / Синтез життя в лабораторії: чому це не відбувається? /

Синтез життя в лабораторії: чому це не відбувається?

Автор:

Джерело: Geoscience Research Institute

від 26.07.2022

Один із засновників сучасної біохімії Жак Льоб писав у 1912 році:

«...ніщо не вказує, однак, в даний час на те, що штучне виробництво живої матерії знаходиться поза можливостями науки... ми повинні досягти успіху в штучному виробництві живої матерії або ми повинні знайти причини, чому воно неможливе»1 2

Це було написано до кристалізації окремого білка, відкриття циклу лимонної кислоти та більшої частини метаболізму, до розуміння структури ДНК та концепцій молекулярної біології. З усіх цих причин д-ра Льоба можна вибачити за його передчасний оптимізм щодо синтезу живої матерії.

Дійсно, через століття концепція лабораторного абіогенезу тільки починає виходити на поверхню завдяки галузі синтетичної біології, що зароджується.

Кінцевою метою синтетичної біології є отримання живої матерії в лабораторії, абіогенез in-vitro.3 4 5 Хоча в науковій спільноті немає єдиної думки про те, що таке «жива матерія»,6 7 8 9 10 вельми корисна добірка з дев’яти незмінних характеристик всіх живих структур була опублікована.11 На додаток до цієї добірки дуже корисна характеристика живого організму була наведена в одному глибокому огляді цієї галузі:

«...під "живим" ми розуміємо здатність до автономного самопідтримання в нерівноважному гомеостатичному стані, з додатковою можливістю росту та поділу, що дає початок свого роду мінімальному життєвому циклу та еволюції».12

Оскільки прийнято вважати, що в основі всього живого, «сутності життя» лежить необхідна сукупність нуклеїнових кислот і білків, всі сучасні зусилля в галузі синтетичної біології спрямовані на створення модельних клітин, що містять ці компоненти. Цитуючи одного видатного вченого з цього питання:

«...саме життя можна розглядати як емерджентну властивість: молекули, складові живої клітини (ДНК, білки, полісахариди, ліпіди тощо), не є живими. "Життя" виникає в результаті складання цих неживих елементів, належним чином розташованих в просторі й часі».13

В основі всіх зусиль у галузі синтетичної біології лежить принципово важливе припущення про можливість поетапного збору живої матерії з набору біомолекул. Наслідком цього є те, що, принаймні теоретично, живу матерію можна повторно розібрати й зібрати знову. Хоча це майже одноосібна думка наукової спільноти, досі ці припущення не були підтверджені експериментально.

Переконання, що живу матерію можна створити з інертних органічних молекул, можна віднести до постулатів І. Опаріна14 і Д. Холдейна15 про походження життя. З відкриттями С. Міллера та Х. Урі16 дане поняття розквітло в галузь хімічної еволюції, в рамках якої за останні три чверті століття з’явилась величезна кількість робіт17, але мало що прояснилось щодо того, як жива матерія могла з'явитися в умовах примітивної Землі.

Синтетична біологія звільняє себе від важкого тягаря займатися біохімією в первісних умовах. Тепер лабораторії можуть вільно використовувати будь-які доступні їм засоби для створення живої матерії!

Справді, існує значний оптимізм щодо того, що синтетична біологія нарешті досягне «святого Грааля» біології – створення штучної живої клітини. Відповідно, заключне твердження щодо нещодавньої статті на цю тему звучить наступним чином:

«Синтез живої штучної клітини з компонентів відчинить двері для багатьох інших авантюрних напрямів досліджень...»18

Проте більш обережний рецензент з цього питання заявляє:

«...важливо зазначити, що мінімальне життя ще не було отримано в лабораторії. Чи означає це, що це в принципі неможливо? Я так не вважаю, хоча як вченому завжди корисно мати трохи сумнівів (можливо, ми проґавили щось важливе в нашому теоретичному аналізі)».19

Це повідомлення вказує на наступну прогалину – недооцінку істотності природи «нерівноважного» стану живої матерії.

Всі життєві процеси, метаболізм, ріст, відповідь на стимуляцію й реплікація, приводяться в рух хімічними реакціями, що не припиняються. Кожна хімічна реакція існує в одному з двох станів – нерівноважному й рівноважному. Поточні хімічні процеси завжди перебувають в нерівноважному стані.

Коли хімічна реакція aA + bB ⇌ cC + dD завершується, настає рівновага, де коефіцієнт масової дії Γ=[C]cx[D]d/[A]ax[B]b стає константою рівноваги Keq. При рівновазі змінна вільної енергії ∆F=0, і в цьому стані реакція не може виділяти або поглинати енергію.

В результаті хімічних реакцій відбувається чистий потік речовини від реактантів до продуктів чи навпаки. Проте у стані рівноваги потік припиняється.

Більше того, стан рівноваги чинить опір змінам. Відповідно до принципу Ле Шательє,20 якщо хімічна система, яка перебуває в стані рівноваги, зазнає зміни концентрації, температури, об'єму або парціального тиску, то рівновага зміщується, протидіючи нав'язаній зміні, й встановлюється нова рівновага. Таким чином, згідно з цим принципом, будь-яка зміна стану нерівноваги до рівноваги є незворотною.

Незважаючи на те, що в живих клітинах ферменти направляють кожну реакцію у бік рівноваги (запобігаючи можливості повільних, випадкових небіологічних хімічних подій), якщо якийсь із сотень або тисяч хімічних процесів дійсно досягне рівноваги, відбудеться незворотне метаболічне блокування.

Багаторазове досягнення такої рівноваги призвело б до загибелі клітини. Однак в живих клітинах немає ізольованих реакцій, і проблема рівноваги виключена. Швидше, хімічні події пов'язані в процесі так, що продукти реакцій не накопичуються, а відразу вступають в реакцію з іншою речовиною.

Кінцеві продукти метаболічних шляхів або використовуються негайно, або виділяються з клітини. Ба більше, системи регуляції, такі як «гальмування зі зворотним зв'язком», допомагають підтримувати гомеостаз.

Те, що нерівноважні стійкі стани всіх хімічних реакцій/шляхів в живих клітинах становлять сутність життя, можна довести на прикладі простого експерименту з короткочасної обробки аліквоти зростаючої культури Escherichia coli краплями толуолу.21 Ця процедура створює дірки в зовнішній мембрані бактерії, викликаючи розчинення протонного градієнта між цитоплазмою та периплазмою.22 23 В свою чергу, синтез АТФ зупиняється, протягом кількох секунд реакції в клітині досягають своєї рівноваги й організм гине.

В цей момент мертва клітина містить більшу частину своїх нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, полісахаридів та метаболітів. Тому, хоча генетичний матеріал, РНК, ферменти, полісахариди та ліпіди є необхідними компонентами живої клітини, однієї їхньої присутності недостатньо для життя. В живих клітинах на всі необхідні біополімери накладається стійка нерівноважна динаміка всіх хімічних подій.

Навіть якби вдалося запобігти внутрішній деградації її біополімерів, мертва бактерія ніколи не повернулася б до життя просто шляхом продовження інкубації.

Нинішні фахівці з синтетичної біології, визнаючи обов'язковий «нерівноважний гомеостатичний стан» живої матерії, схоже, не цінують незворотність [неспонтанність?] стану рівноваги. Побудова штучних клітин за модульним принципом неминуче призведе до настання хімічної рівноваги всередині кожного модуля. Щойно рівновагу досягнуто, штучна клітина, образно кажучи, «наштовхується на стіну». Вона більше не здатна рости чи здійснювати будь-які чисті хімічні процеси.

Технологія модульного складання штучних клітин зі збереженням нерівноважного стану кожного компонента реакції невідома. Хоча ці міркування не відносяться до полімеризації, такої як синтез РНК або ДНК, оскільки кожне поступове подовження полімеру супроводжується гідролізом високоенергетичного зв'язку, роблячи ці етапи по суті незворотними, будь-яка інша метаболічна подія значною мірою може бути припинена шляхом досягнення рівноваги.

Поки створення клітиноподібних структур, в яких метаболізм перебуває в гомеостатичному нерівноважному стані, не стане реальністю, найскладніші зусилля синтетичної біології будуть зведені нанівець.

Тому, більш як через століття, наша відповідь на ідеї Жака Льоба про синтез живої матерії така, що ми ще не можемо цього зробити. Нам потрібно знайти способи створення стійких нерівноважних умов всередині штучних клітин. Ці технології чекають винаходів в майбутньому.

Читайте Креацентр Планета Земля в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх новин.

Подібні матеріали

27.01.2021

Помилки геології: геологічна колона

Один з основних принципів геології – закон нашарування. Попросту кажучи, це означає, що верхні геологічні пласти відклалися пізніше нижчележачих, якщо не було руху гірських порід (землетрусів). Це припущення досить логічно, якщо вірити, що гірські породи утворювалися протягом мільйонів років, або що вони були в основному сформовані до часу Потопу. Але і цей закон викликає серйозні проблеми у геологів-еволюціоністів – і все через системи датування за допомогою скам'янілостей. Ця система ґрунтується на принципі еволюції, коли в більш древніх породах повинні знаходитися більш «примітивні» організми. Складнощі з законом суперпозиції викликані тим, що в багатьох місцях поверхні Землі, згідно датування по скам'янілостям, більш «стародавні» породи лежать на «молодих» – і ніяких ознак руху порід!

arrow-up