Hvordan er det ellers gået med Darwins ”varme lille vandhul”?

Publiceret Juli 2009

Et udkast for en prolog til livets drejebog

Darwins syn på livets opståen

Charles Darwin var ikke bleg for at flytte hegnspæle i den kollektive bevidsthed, når han endelig så et overvældende behov for det. For det meste gjorde han sig umage med kun at omtale offentligt, hvad han til enhver tid kunne stå inde for med videnskabelige argumenter. Der var dog én henkastet bemærkning - bare et enkelt følsomt ord i en bisætning til en anden bisætning - han senere hen kom til at fortryde en del. Således fremfører han i Origin of Species [1] ganske vist tanken om livets fælles stamtræ, "the Great Tree of Life" [p.148], dog selve livets opståen på den oprindeligt golde og temmelig ugæstfri klode ligger klart uden for hans videnskabelige tilgang. Dette uundgåelige spørgsmål skinner blot igennem, når han til allersidst i konklusionen har skrevet følgende, i hvert fald i de første fire udgaver af sit hovedværk.

"During early periods of the earth's history, ... at the first dawn of life, when very few forms of the simplest structure existed, the rate of change may have been slow in an extreme degree. The whole history of the world, as at present known, although of a length quite incomprehensible by us, will hereafter be recognised as a mere fragment of time, compared with the ages which have elapsed since the first creature, the progenitor of innumerable extinct and living descendants, was created."

Afslutningen af den pågældende passage blev først modificeret lidt i den 5. udgave af 1869: "... since the first organic beings, the progenitors of innumerable extinct and living descendants, appeared on the stage." - og hele afsnittet er fjernet uden erstatning i den 6. og sidste udgave af 1872.

Mere privat findes der imidlertid visse tanker til dette spekulative emne i to breve til botanikeren Joseph Dalton Hooker, som var en af Darwins nærmeste venner [http://www.jdhooker.org.uk/]. Disse bemærkninger er posthumt kædet sammen gennem en fodnote i redigeret udgave af hans søn Francis [2]:

[in 1863] "It will be some time before we see ‘slime, protoplasm, &c.' generating a new animal.* But I have long regretted that I truckled to public opinion, and used the Pentateuchal term of creation, by which I really meant ‘appeared' by some wholly unknown process. It is mere rubbish, thinking at present of the origin of life; one might as well think of the origin of matter."

* "On the same subject my father wrote in 1871": "It is often said that all the conditions for the first production of a living organism are now present, which could ever have been present. But if (and oh! what a big if!) we could conceive in ‘some warm little pond', with all sorts of ammonia and phosphoric salts, light, heat, electricity, &c., present, that a proteine compound was chemically formed ready to undergo stillmore complex changes, at the present day such matter would be instantly devoured or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed".

Denne fodnote er sidenhen blevet meget mere kendt, end det forudgående citat. Medens 1863 brevet kan læses i sin helhed ved [http://www.darwinproject.ac.uk/darwinletters/calendar/entry-4065.html], er 1871 brevet endnu ikke gjort offentligt tilgængelig via det ellers ret så omfattende Darwin Correspondence Project.

Moderne kontroverser om et fælles grundlag

Sidenhen bruges Darwin's "warm little pond" gerne som et velklingende udtryk for livets opståen på denne jord. I mellemtiden har vi tilegnet os afgørende viden om livets nuværende biokemisk/genetiske grundlag, som Darwin selvsagt ikke kendte meget til, om noget. Spørgsmålet er så, om al den moderne kundskab kunne bidrage til en mere præcis indsigt i, hvordan levende celler er blevet til, når der oprindeligt kun var de geokemiske reaktionsforløb til at tage udgangspunkt i. Det korte svar til dette er nok, at videnskabsfolk fortsat er dybt uenige i, hvordan eller i hvilken rækkefølge livets hovedtræk har fundet sammen i et selvorganiserende system af biokemiske reaktionskæder og feedback-sløjfer. Især kappes der om følgende "kontroverser" [3]. Var de livsgivende processer i begyndelsen af heterotrofisk eller af prototrofisk natur? - Hvad kom først, replikatorisk virksomme makromolekyler eller et sammenhængende stofskiftesystem? Blev individuelle celler dannet tidligt eller forholdsvis sent i den præbiotiske evolution? - Alle disse usikkerhedsfaktorer bliver end ikke mildnet af den kendsgerning, at diverse hypoteser om livets formodede opståen hverken kan bevises eller gendrives med nok så sindrige modelforsøg. At komme med en sammenhængende, og derved overbevisende fortælling, som ikke åbenlyst strider imod kemiske eller fysiske grundprincipper, er vist nok det bedste, man kan håbe på.

Et bud på et muligt gennembrud

"Peptiderne løfter i flok, når de er mange nok"

Når end ikke de siddende eksperter på området er blevet enige om et fælles grundlag for livets mulige opståen på jorden, vil jeg gerne tillade mig selv at vælge ud blandt de mest oplagte muligheder. Et sammenhængende koncept for en trinvis fortætning af præbiotiske reaktionsforløb (Tabel 1) kunne bygges på en række overvejelser, som her fremføres ganske summarisk. En mere tilbundsgående analyse er ved at blive publiceret andetsteds [4]. Den gentagne brug af ringslutning på den ene side, og indelukning på den anden, skal understrege på forskellige niveauer, at levende systemer adskiller sig fra ikke levende bland andet i deres selektive lukkedhed - både i fysisk og i overført betydning. For mig at se kommer den ikke-strukturelle lukkedhed endog i første række, idet mange flerleddede, biologisk relevante reaktionsforløb udmærker sig ved at køre i ring, hvorved de bliver selvforstærkende - og dette kan sagtens lade sig gøre uden at være placeret inde i en hermetisk lukket struktur. Den strukturelle indeslutning bliver sideløbende også relevant, men først senere hen i processen. Det helt centrale begreb i denne oversigt er katalytisk ringslutning ("catalytic closure"), som blev indført og efterprøvet ved computersimulering af Stuart Kauffman [5], hvad der også har været den væsentlige inspirationskilde for mig til overhovedet at kaste mig ud i disse tanker.

A. Kollektiv robusthed i et interaktivt system af mange små komponenter

Udbredt tilvækst, uden nogen deciderede delingsprocesser

Krisesituationer med delvis kollaps, som følge af periodiske udsving og turbulens i miljøet

Integration af reaktionsprocesser

Strukturel sammenhold og afgrænsning

(1.1) Metabolisk ringslutning:

Cykler, sløjfer og tværforbindelser i et  netværk af geokemiske stofskiftereaktioner

 (1.2) Katalytisk ringslutning – ifølge Kauffman [5]:

Kollektivt autokatalytisk netværk af kondensationstrin til dannelse af oligomeriske katalysatorer, ud fra et geokemisk “foodset” af stokastiske peptider

(1.3) Katalyseret overtagelse af stofskiftet:

Kollektivt autotrofisk undergruppe af peptidkatalysatorer og kofaktorer til stofskiftereaktionerne

(1.4) Katalyseret overtagelse af “foodset”-produktionen:

Kofaktor-assisteret dannelse af stokastiske “foodset”-peptider

(1.5) Replikativ ringslutning:

Dannelse af selvkomplementære replikatorer med afsæt i et oprindeligt sæt af kondensations-kofaktorer

(1.6) Genetisk ringslutning / overtagelse af kontrollen:

Rekruttering af sekvens-koderede proteiner, til erstatning af de foranværende ukodede peptidkatalysatorer

(2.1) Geléagtig sammenhold:

De oligomeriske katalysatorer er fanget i en klisteragtig grundmasse eller direkte bundet til en overflade

(2.2) Nanoskala indelukning:

Sammenlagring af energi-konverterende vesikler i den klisteragtige grundmasse

 (2.3) Makroskala indelukning:

Dannelse af en perforeret membran, ude mod vandmiljøet

(2.4) Mikroskala indelukning:

Protocellulær individualisering, muligvis i forbindelse med en form for endosporedannelse

B. Genomisk aflukning / kontrolleret celledeling

Sammenlagring og opdeling of enkelte eller multiple genomer, koordineret af cytoskelet-komponenter

Dannelse af en ion-tæt diffusionsbarriere, samt selektive transportkanaler, transmembran- receptorer og signaltransduktion

Loft over replikationsfejl, under tærskelen for en såkaldt fejlkatastrofe

Feedback-kontrolleret celledelingscyklus

Tabel 1. Præbiotisk evolution fra et primitivt stofskiftesystem til primitive celler [modificeret fra ref. 4].

Kauffmans væsentlige indsigt går ud på, at et tilstrækkelig stort antal (~10.000 eller endnu flere) af statistisk sammensatte oligopeptider ville kunne opformere hinanden i fælleskab. De ville nemlig med ret høj sandsynlighed udvikle sig til et selvforstærkende netværk, såfremt hvert kondensationstrin til et af disse oligopeptider katalyseres af mindst et af de øvrige medlemmer af samme netværk. Blandt det store antal af forskellige sekvenser vil man yderligere, så at sige i medgift, kunne forvente et mindre sæt af metabolisk virksomme protoenzymer. Derved kunne der holdes et vedvarende stofskiftesystem kørende, som i sine væsentlige træk må formodes at have rummet de mest grundlæggende biokemiske reaktioner af nuværende livsformer [6]. Med inspiration fra Svantes folkekære morgensang kunne konsekvensen af dette kompleksitetsafhængige kvantespring passende sammenfattes i sektionens motto: "Peptiderne løfter i flok, når de er mange nok". - Hvor skulle dog så mange oligopeptider med oprindeligt helt tilfældige sekvenser være kommet fra under præbiotiske forhold?

Fra Kauffmans "catalytic closure" til Darwins "natural selection"

Forskere har længe været enige om, at en del af de almindeligt forekommende aminosyrer forholdsvis nemt kunne opstå ved geokemiske reaktioner uden liv. Noget tilsvarende gælder dog ikke for nukleotiderne, hvoraf især purinbaserne har svært ved at dannes spontant fra mindre komponenter. Endog biosyntesen af alle nukleotider i de nulevende organismer er baseret på visse aminosyrer som udgangsmateriale. Således ville spørgsmålet om livets opståen være lidt mindre gådefuldt, om aminosyrerne alene kunne sætte et selvorganiserende system i gang - uden den forudgående mellemkomst af nukleinsyrer eller lignende, som nu om dage udgør den genetiske information bag den ribosomale syntese af alle sekvens-kodede proteiner. Molekylærbiologer i almindelighed havde dog svært ved at forestille sig nogen mekanisme, der ville give ukodede peptider mulighed for en sådan selvudvikling. Så mange molekylærgenetisk oplærte forskere foretrækker fortsat den såkaldte "RNA world" model, hvor RNA-molekyler fungerer både som genetiske replikatorer og biokatalysatorer - i en periode helt uden hjælp af proteiner - selv om ingen af dem har et realistisk bud på, hvor selve RNAet uden proteinernes ‘hjælpende hånd' skulle være kommet fra.

Kauffman er teoretisk biofysiker og derved ikke i samme grad bundet op i traditionelle tankegange. Han hæfter sig ved, at selve peptidbinding mellem aminosyrer end ikke er for svær at lave - især under dehydrerende forhold. I øvrigt er det en kendt sag, at selv ret så korte peptider kan tilskrives alskens katalytiske egenskaber, som bliver kraftigere og mere specifikke med voksende kædelængde, afhængigt af foldningsstrukturen og den nøjagtige aminosyresekvens. Desuden findes der også i nulevende organismer en form for ikke-ribosomal proteinsyntese, hvor visse peptider dannes af særlige enzymer - uden medvirken af nogen form for RNA. Denne fremstillingsmåde kunne altså i princippet godt have ældgamle rødder, som evolutionsmæssigt går længere tilbage end da ribosomer samt mRNA endelig dukkede op som mere effektive styringsredskaber. Kauffmans grundprincip af "catalytic closure" til peptidernes selvorganisation i et voksende netværk kan altså sidestilles med Darwins grundprincip af "natural selection" til at drive den biologiske evolution. I begge tilfælde drejer det sig om grundlæggende mekanismer, der gør ret så uhåndgribelige fænomener tilgængelige til en videnskabelig tankegang.

Slikvader i sollys og tidevand

Nu er det sin sag at fremsætte et regelsæt der muligvis har kunnet sætte de første selvorganiserede livs-lignende processer i gang. Det kræver imidlertid en række yderligere betingelser opfyldt for at kunne fungere under realistiske forhold. For det første kan cykliske processer ikke vare ved, med mindre systemet tilstrækkeligt fodres med energi udefra. For det andet må kondensationsreaktionerne i det lange løb kunne overstige den hydrolytiske nedbrydning af peptiderne i vand. For mig at se ville begge disse krav bedst kunne forenes under vadehavs-lignende kår, som også på den endnu livløse jord i en vis udstrækning skulle have været tilstede. Dette er et periodisk omskifteligt miljø, hvor udstrakte muddergrunde falder tørt to gange i døgnet, hvor sediment fra nærliggende flodmundinger tilfører rigeligt med mineralske næringsstoffer og sollysets energikilde er nærmest uudtømmelig. I første omgang kunne strålernes varmeindhold udnyttes i form af periodisk fordampning af vand, således at den medfølgende koncentrering og dehydrering af en præbiotisk aminosyreopløsning ville fremme spontane kondensationsreaktioner til dannelse af peptidbindinger. De første peptider kunne tænkes at opstå på mineralske overflader ved adsorption og kondensation under dehydrering. Disse mindre oligoer danner om sider et "foodset" til dannelse af større peptider. Det er denne indbyrdes sammensplejsning ved katalytisk mellemkomst af andre peptider, som Kauffman først og fremmest tænker på. Hvordan produktionen af dette "foodset" kunne gøres mere effektiv, vender jeg tilbage til i næstsidste sektion. Sideløbende, på en mere avanceret måde, kunne fotokemiske reaktioner også tankes at indgå i forstadier til fotosyntetisk virksomme strukturer, hvorfra et selvkørende stofskiftesystem kunne holdes i gang.

Hidtil har eksperterne været mere tilbøjelige til at satse på petrokemisk energi ved livets vugge, mobiliseret af hydrotermisk aktivitet ved undersøiske kilder [7]. I sådanne omgivelser mangler dog muligheden for den periodiske dehydrering, der kræves til den af Kauffman postulerede selvkondensation af de første peptider. Derfor vil jeg mene, at den først realiserede form for autotrofisk stofskifte var baseret på fotosyntese, frem for hydrotermisk kemosyntese. En vis kombination af begge muligheder kan dog ikke udelukkes heller, såfremt de hydrotermiske kilder munder ud i kystnære områder. Under alle omstændigheder må man forestille sig, at de præbiotiske udgangsbetingelser var uden ilt - både i luften og i verdenshavet - idet alt det molekylære oxygen, de højere moderne organismer er aldeles afhængige af, først skulle dannes ved den højeffektive form for fotosyntese, der først blev færdig-udviklet af rigtige celler i de såkaldte cyanobakterier (blågrønne alger), samt planternes grønkorn afledt derfra.

Antager man således, at hver udtørringscyklus på en slikvade kunne have efterladt en vis mængde oligopeptider af statistisk sammensatte sekvenser, så skulle rehydrering ved det efterfølgende højvand have den stik modsatte virkning. Dels risikerer løse peptider at blive skyllet bort til ingen verdens nytte, dels kan de atter blive nedbrudt af vandets hydrolytiske aktivitet. Imidlertid vil ikke alle de forskellige peptidsekvenser påvirkes af disse destruktive tendenser i samme grad og/eller hastighed. Bortskyldning kunne undgås ved direkte eller indirekte at binde sig til bundfaldslaget, og selve peptidbindingernes udsættelse for vand kunne minimeres ved, at de skjules inde i en vedvarende foldningsstruktur, så som en såkaldt a-helix. Her skimtes altså begyndelsen på det Darwinske evolutionsprinzip, udmønted på de forskellige peptidsekvensers uens overlevelsesevner.

2009_3 Egel 1
Figur 1. Rekruttering af ribotid-kofaktorer til fremstilling af stokastiske peptider [modificeret fra ref. 4]. Ribotid-kofaktorer kom ind af to grunde. De kunne aktivere aminosyrer [~] og tjene som oligomeriske koblingsmoduler (grå) for at koordinere de to reaktionspartnere. I det mindste skulle der være plads til at binde to adenosiner samtidigt (A). Ribose symboliseres af femtakkede stjerner, fosfater er dog ikke vist. I bundet tilstand overføres det vordende peptid (ab) til den næste aminosyre (c), hvorefter produktet sættes fri - fortsat i aktiveret tilstand. I en lidt større udgave (B), er koblingsmodulet i stand til at binde to CCA-tripletter, hvad der øger bindings- og koordineringsevnen.

Peptidernes selektion for sammenfoldning, membrandannelse og påhæftning

De mest holdbare peptidsekvenser kan oven i købet formodes at byde på en række yderligere egenskaber, som i evolutionsmæssig henseende er særlig interessante. Medens den nævnte a-helixstruktur er meget ustabil for korte peptider opløst i vand, bliver den mere permanent og hårdfør, jo flere andre strukturelementer den direkte binder sig til - gerne ved hjælp af hydrofobe interaktioner imellem lipofile aminosyresidekæder. I det moderne liv ser man dette realiseret i mange funktionelt betydningsfulde proteiner - både i membran-integrerede komplekser og i globulære, opløselige enzymer.

Førstnævnte membranproteiner indeholder oftest adskillige lipofile afsnit, som danner hver sin a-helix og pakkes tæt sammen i parallelle bundter tværs igennem fosfolipidmembraner. Selv om der formentlig ikke fandtes nogen fosfolipider i begyndelsen, kunne korte lipofile a-helixer godt have fundet sammen i membranlignende strukturer af sig selv, som det er blevet påvist i en nanoteknologisk sammenhæng [8]. Således kunne de første lukkede vesikler godt være opstået meget tidligt, allerede under Kauffmanske selvorganiseringsforhold. Jeg tror ikke på, at disse tidlige vesikler på nogen måde kunne sammeslignes med funktionelt organiserede celler eller blot tolkes som direkte forstadier på vej dertil. De kunne dog, sammen med lipofile pigmentmolekyler, forholdsvis let og direkte have udviklet sig til lysabsorberende energihøstere - temmelig primitive til at begynde med, men efter lignende principper som i de nuværende kromatoforer i visse bakterier [9] eller grønkornenes tylakoider i planterne [10].

De globulære proteiner derimod folder sig op omkring en indre kerne, hvor de fleste lipofile sidekæder indgår i tæt pakkede a-helixer og b-strenge. Den tætte pakning midt i proteinet er gerne en forudsætning for, at visse indre lommer eller ydre sløjfer kan deltage i en eller anden katalytisk reaktion. Enzymvirkningen afhænger nemlig af de funktionelle sidegruppers nøjagtige placering i tre dimensioner, som selv i høj grad bestemmes af proteinkædens foldningsstruktur. Derudover kan også globulære proteiner indeholde særlige ankerdomæner, som fæstner sig på andre proteiner eller en membran. Den før skitserede selektion for stabiliserede foldningscentre ville skabe grundlag for en sideløbende evolution af bedre og bedre enzymer. Dette ville ske igennem gentagne cykler af dehydreringskondensation, på skift med delvis nedbrydelse ved rehydrering og omfordeling af stumperne i det strømmende vand.

Geléagtig sammenhold før cellernes individualisering

På det spæde stadie af ukodede peptiders selvorganisering ville det endnu ikke være gavnligt at lukke sig inde i en tætsiddende cellevæg eller membran. En rigtig celle værner om sin identitet og holder sammen på sit indhold af mere end én grund. Et spirende netværk af ukodede peptider derimod var formodentligt mere diffust fordelt over et større areal, hvor enkelte komponenter i princippet kunne interagere med alle de øvrige. Hvis to peptider ‘passede' sammen, når de tilfældigt stødte ind i hinanden, så blev de hængende, ellers ikke. I givet fald kunne de med held i den næste kondensationscyklus blive forbundet med kovalente bindinger. Et større peptid, der allerede sad fast på et bundfaldskorn, kunne på denne måde fiske passende mindre peptider fra det omgivende vand og langsomt vokse yderligere. Omvendt, hvis mindre passende stykker ved tilfældig hydrolyse blev kløvet fra, gik de ikke nødvendigvis til spilde. Måske kunne de finde en bedre egnet bindingspartner et andet sted i bundlaget.

Jeg forestiller mig, at organisk materiale af slimet til geléagtig beskaffenhed ("colloidal coherence") i et gennemgående lag var klistret fast på de mineralske bundfaldskorn. I dette lag var den diffusions-afhængige bevægelighed af opløselige molekyler nedsat, som vi kender det fra kromatografiforsøg i laboratoriet. Grundsubstansen i dette lag kunne ud over de her omtalte oligopeptider f.eks. have bestået af polysakkarider eller derivater deraf. Af sidstnævnte ville de såkaldte teichoinsyrer (glycerol eller ribitol forbundet med fosfat) være særlig interessante, fordi RNA på et senere stadie kunne være afledt deraf - en ide, der allerede blev fremført for 30 år siden [11], men ikke rigtig er slået igennem endnu. De første vesikler til energiomsætning, eller sammenklumpninger deraf, kunne ligeledes være opstået inden for dette bundfaldslag. Egentlige celler tror jeg ikke har dannet sig, før de kunne råde over mere eller mindre komplette genomer, således at de overhovedet have fået en genetisk identitet, der var værd at værne om.

Co-evolution mellem peptider og nukleotider med meget dybe rødder

Som genetiker har jeg selvfølgelig også gjort mig visse forstillinger om, hvordan et primitivt system af selvorganiserede peptider om sider er gået over til et mere effektivt system med rigtige gener og deraf kodede proteiner [4]. Det ville dog sprænge rammen af denne indførende artikel at komme nærmere ind på dem. Her nøjes jeg med at kalde denne overgang for en decideret revolution, som passende kan betegnes som "genetic takeover" - med et begreb, som Graham Cairns-Smith har brugt før, om end i en lidt anden sammenhæng [11], da ukodede peptiders potentielle evne til selvorganisering endu ikke var på tale. Cairns-Smith har især gjort sig til talsmand for "active clay" hypotesen, som tilskriver ler-dannende silikatpartikler en afgørende rolle ved overgangen fra geokemiske til organiske katalysatorer.

Lidt uddybende vil jeg her komme ind på punkt 1.4 af Tabel 1, som kunne lede RNAs opståen tilbage til en lidet iøjnefaldende begyndelse - endog i peptidernes tjeneste. Når man betragter den kemiske kerne af ribosomernes proteinsyntese, så er det interessant at fokusere på alle de ting der er fælles for reaktionen, uanset hvilke to aminosyrer der skal sammenkobles ved et givet trin. Disse fælles træk er ligesom russiske Babushka dukker eller skaller i et løg, hvor den ene ligger inden i den anden. Alle de aktiverede aminosyrer er bundet til ribose, nærmere bestemt ved en energi-rig ester-binding fra COOH til 2'- eller 3'-OH . Ved skabelsen af en ny peptidbinding svækkes den ene esterbinding hydrolytisk, og den løsnede carboxylgruppe overføres til den anden aminosyres a-aminogruppe. Alle disse ribose-enheder indgår i adenosin-nukleotider, som atter er fælles om at danne 3'-enden af et tRNA, sammen med to fælles cytosiner. Først på den anden side af CCA-enderne begynder de specifikke forskelle, der knytter hver af de 20 aminosyrer til bestemte tRNA-sekvenser.

Selve ribosomernes peptid-transferase-centrum - i den store underenhed - danner ligeledes den inderste skal i en hierarkisk struktur [12]. Dérinde bindes de peptid- og aminosyre-bærende CCA-ender på en nøjagtigt koordineret måde, således at den ene af de energi-rige ester-bindinger træder i vekselvirkning med reaktionspartnerens carboxylgruppe, sammen med to hydrolytisk virksomme vandmolekyler, der strategisk placeres i midten [13]. Helt i Darwins ånd, tolkes hierarkiske strukturer gerne ud fra et evolutionsmæssigt perspektiv, som lægger op til, at den centrale kerne har udviklet sig først, medens skallerne successive er kommet til bagefter. Således antages den store ribosomale underenhed at have været meget mindre i begyndelsen, med udgangspunkt i dens peptid-transferase-centrum [12].

Tilsvarende går jeg ud fra, at ribosomernes sammensatte mekanisme for at lave peptidbindinger har taget sit udspring inderst inde i reaktionens kerne, mens yderligere funktioner er blevet hægtet på lidt efter lidt. Der er kun to funktionelle grupper, der direkte indgår i selve transferase-reaktionen. I form af ribosens 2'- og 3'-OH grupper danner de et særdeles reaktivt par ved siden af hinanden, og det er ligegyldigt for den nye peptidbinding, om den energi-rige esterbinding doneres af den ene eller den anden OH gruppe i dette par. Lidt på afstand fra reaktionens centrum sidder de fælles adenin-baser, og de fælles cytosin-nukleotider er endnu længere væk - hvor de så at sige indgår i henholdsvis første og anden yderskal. Disse basers indflydelse på reaktionskinetikken er mere indirekte, og for at kunne virke efter hensigten skal de først binde sig til et tilsvarende underlag. I den moderne udgave er det netop ribosomets opgave at fungere som en passende skabelon eller støbeform til at lave peptidbindinger i stribevis. De fleste og mest iøjnefaldende finesser af ribosomets virkemåde har dog med afkodningen af den korrekte sekvens at gøre, hvorefter vi betragter den afsluttende peptidoverførsel til den nye aminosyre ved hvert trin nærmest som en bagatel.

Det er for så vidt min hovedtese, at alle disse afkodningsmekanismer hører til yderskallerne i den førnævnte løgstruktur, og at ribosomernes opståen allerede må forklares på det mere primitive plan omkring det reaktive centrum. Spørgsmålet er så, hvad eventuelle forstadier til ribosomer - endnu uden en decideret afkodningsfunktion - i det Kauffmanske univers har bidraget med til den ukodede tilblivelse af stokastiske peptider. De var formentlig i stand til at lave det af Kauffman postulerede "foodset" mere effektivt, end det kunne gøres ved dehydrering og bundfaldsadsorption alene. Første skridt på vejen kunne være at udstyre alle de potentielle aminosyrer med en fælles form for aktivering, så som binding til ribose og/eller ribosefosfat. Det letter selve kondensationsreaktionen betydeligt, men kræver fortsat tilfældig bundfaldsadsorption under dehydrerende forhold. Denne adsorption kunne lettes ved at sætte nogle heterocykliske ringsystemer på ribosedelen [11], som det også kendes fra en lang række hjælpefaktorer for diverse stofskiftereaktioner. Af disse ville nicotinamid og uracil være lettest tilgængelige under præbiotiske forhold, hvorimod puriner, så som adenin og guanin, er mere vanskelige at komme til.

Når en blanding af forskellige heterocykler adsorberes på krystalline overflader, er bindingen langt fra tilfældig. Således kan adenin og uracil arrangeres i gentagende mønstre i et modelsystem [14]. En blanding af forskellige kofaktorer, samt oligomerer deraf, kunne altså efterhånden udvikle sig derhen, at aktiverede peptider og aminosyrer bindes mere koordineret i forhold til hinanden på silikatpartikler, end det ville ske ved rent tilfældig adsorption. Dermed er kimen lagt til yderligere evolution, således at de koordinerende oligomerer bliver mere effektive og mere specifikke, og efterhånden - med tiltagende længde - endog uafhængige af de mineralske bundfaldspartikler. Det kræver dog, at de mest effektive oligomerer kan genskabes pålideligt. De kofaktorer, der bedst passer sammen i komplementære par, vil altså udnyttes til dette formål frem for andre, og grundstenen er dermed lagt til replikatorisk gendannelse af RNA-lignende oligomerer - ikke helt af sig selv, men styret af et passende udvalg af katalyserende peptider.

Fra dette hypotetiske stadie er det rigtigt RNA, der i direkte linie har overlevet i nuværende ribosomer. Fig. 1 gengiver to mulige overgangsstadier, hvor der først er adenosinerne alene, der binder de aktiverede peptid- og aminosyrepartnere til et koblingsmodul med to bindingssteder. Disse bindingssteder udvides dernæst til samtidigt at binde to CCA tripletter. I dette skema kan CCA anses for ar være forstadiet til tRNA, medens koblingsmodulet bliver til den store ribosomale underenhed. Den lille underenhed opstår formentlig senere - i første omgang for at gøre peptidoverførslen "processiv" ved at holde fast i produktet og skifte det over til det andet bindingssted. Rigtige afkodningsfunktioner kommer endnu senere, idet der yderligere kræves, at forskellige aminosyrer får deres særskilte tRNAer, samt at codon/anticodon interaktioner også er kommet i gang. Når co-evolutionen mellem stokastiske peptider og oligonukleotider først er nået så langt, så starter den egentlige "takeover"-revolution, hvor det gælder om at erstatte hele det "katalytisk lukkede" netværk af sammensplejsede proteiner med tilsvarende sekvenser fra passende mRNA-kodende gener. Denne omvæltning er fortsat en vidunderlig bedrift, men ikke længere fuldstændigt uigennemskuelig.

Afsluttende bemærkninger

Afslutningsvis vil jeg tillade mig at svøbe nærværende udkast for en prolog til livets drejebog i mere poetiske vendinger. Efter mit skøn har der været tre kosmiske aktører på spil til at bære handlingen - ‘moder' jord, som var leveringsdygtig i alle materialer, ‘fader' sol, som udstrålede energi til at drive værket, samt ikke at forglemme den tredje part, ‘fadder' månen, som sørgede for de rette vibrationer ved at sætte sving i tidevandene. I sceneriet er det lille varme vandhul blevet udskiftet til fordel af floddeltaernes udstrakte, flade slikvader, som også nu om dage hører til blandt jordens mest frodige og produktive biotoper. Som sagt før, er dette bare et bud på en sammenhængende, og forhåbentlig overbevisende fortælling, som ikke åbenlyst strider imod kemiske eller fysiske grundprincipper. Det vil aldrig kunne bevises i ordets strengeste forstand og er således bare en nyfortolkning af en moderniseret skabelsesmyte.

Når jeg helt bevidst omtaler denne fortællings målsætning som en "prolog til livets drejebog", er det for at tage hensyn til det mere semantiske spørgsmål om, hvor præcist i historien selve livet egentlig begynder. For mange videnskabsfolk er besiddelsen af et genom, samt en cellulært organiseret identitet, nemlig ufravigelige bestanddele af definitionen på liv i det hele taget. I den forstand kan al den potentielle selvorganisering af ukodede peptider altså i bedste fald kun regnes for et forstadie til selve livet. Ud fra en saglig synsvinkel er dog alle de mulige gennemgangsstadier i et langt og glidende udviklingsforløb lige spændende i sig selv, og markeringen af den skelsættende grænsepæl, "Hér begynder livet", bliver måske knap så interessant at fokusere alt for meget på.

Referencer

  1. Darwin, Charles 1859. On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life. London: John Murray. 1st ed. {tillige med efterfølgende udgaver, online: http://darwin-online.org.uk/contents.html}
  2. Darwin, Francis (ed.) 1887. The life and letters of Charles Darwin, including an autobiographical chapter. London: John Murray. Volume 3, p.18. {online: http://darwin-online.org.uk/contents.html}
  3. Peretó J. 2005. Controversies on the origin of life. Int Microbiol 8:23-31.
  4. Egel R. 2009. Peptide-dominated membranes preceding the genetic takeover by RNA: latest thinking on a classic controversy. BioEssays 31 (10) {in press}.
  5. Kauffman SA. 1993. The Origins of Order. Oxford: Oxford University Press.
  6. de Duve C. 2003. A research proposal on the origin of life. Orig Life Evol Biosph 33:559-574.
  7. Russell MJ, Hall AJ. 1997. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J Geol Soc London 154:377-402.
  8. Vauthey S, Santoso S, Gong H, Watson N, Zhang S. 2002. Molecular self-assembly of surfactant-like peptides to form nanotubes and nanovesicles. Proc Natl Acad Sci USA 99:5355-5360.
  9. Sener MK, Olsen JD, Hunter CN, Schulten K. 2007. Atomic-level structural and functional model of a bacterial photosynthetic membrane vesicle. Proc Natl Acad Sci USA 104:15723-15728.
  10. Chow WS, Kim EH, Horton P, Anderson JM. 2005. Granal stacking of thylakoid membranes in higher plant chloroplasts: the physicochemical forces at work and the functional consequences that ensue. Photochem Photobiol Sci 4:1081-1090.
  11. Cairns-Smith AG. 1982. Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life. Cambridge: Cambridge University Press.
  12. Bokov K, Steinberg SV. 2009. A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA. Nature 457:977-980.
  13. Simonovi? M, Steitz TA. 2008. Peptidyl-CCA deacylation on the ribosome promoted by induced fit and the O3'-hydroxyl group of A76 of the unacylated A-site tRNA. RNA 14:2372-2378.
  14. Sowerby SJ, Stockwell PA, Heckl WM, Petersen GB. 2000. Self-programmable, self-assembling two-dimensional genetic matter. Orig Life Evol Biosph 30:81-99.