Születőben egy új, mesterséges életforma

Egy biológusokból és kémikusokból álló amerikai kutatócsoport - amely már évek óta vizsgálja a mesterséges sejtek előállításának lehetőségeit - nemrég azzal a meghökkentő bejelentéssel állt elő, hogy már a közeljövőben sikerül "igazi", működőképes sejtet létrehozniuk. Ezzel közelebb kerülhetünk az élet keletkezése rejtélyének megfejtéséhez is.

A kutatócsoport vezetője, Jack Szostak, a Harvard Orvostudományi Egyetem molekuláris biológusa augusztus végén foglalta össze kutatási eredményeiket az élet keletkezéséről tartott XV. nemzetközi konferencián, Firenzében.

Szostak laboratóriumában úgynevezett elősejteket (protocelleket) állítanak elő. Az elősejteket - az élő sejtekhez hasonlóan - zsírszerű anyagokból (úgynevezett lipidmolekulákból) álló kettős membrán határolja el a környezettől, és saját maguk másolására képes, előre szintetizált nukleinsavakat tartalmaznak. Egy olyan folyamat segítségével, amely fölhasználja a Napból vagy a kémiai reakciókból származó energiát, az elősejtek önmagukat másoló (szaporodó) és fejlődő rendszert hozhatnának létre, ami a kutatók szerint kielégítené az élet definícióját. Azonban nem hasonlítana semmilyen mai életformához, de talán hasonlítana az élet kezdeti formájához, vagy a Világegyetemben esetleg másutt előforduló életformákhoz.

"Ezek az elősejtek állnak a legközelebb ahhoz, hogy további kémiai anyagok 'beletöltésével' igazi biológiai organizmussá váljanak - állítja Szostak. Az elősejtek membránja növekedni és osztódni képes, és már most képesek másolatot készíteni korlátozott méretű, egyszerű genetikai szekvenciákról. A kutatók azt szeretnék elérni, hogy az elősejt tetszőleges szekvenciákról tudjon másolatokat készíteni, olyanokról, amelyek már valami hasznos információt is kódolnak. Ezek aztán elindíthatnák az új életformát a darwini evolúció útján, ahhoz hasonlón, amelyen legősibb élő elődeinknek végig kellett menniük - olvasható a Wired.com egyik, a kutatásokról beszámoló blogjában.

Újszerű életforma

Az elősejtekkel kapcsolatos munka még radikálisabb, mint a mesterséges élet előállításával foglalkozó másik terület, a szintetikus biológia. Még korunk egyik leghíresebb és legellentmondásosabb genetikusa, J. Craig Venter mesterséges baktérium előállítását célzó munkája is a jelenlegi életformákat veszi mintának. Az elősejtkutatók azonban egy "alap-életformát" próbálnak megtervezni, olyat, amilyet ember sosem látott.

A kutatók elősejtjének illusztrációja, kettős membránnal határolva, benne részleges másolódásra képes információhordozó molekulákkal

Nyáron Szostak és kutatócsoportja nagy cikkeket publikált a Nature és a Proceedings of the National Academy of Sciences folyóiratokban, amelyekből kiderült, hogy nem csupán fantáziálnak a mesterséges élet előállításáról, hanem igen sokat tettek ennek gyakorlati megvalósításáért. Szostak reméli, hogy már a közeljövőben (tíz éven belül) bemutathat egy teljes önreprodukáló rendszert a laboratóriumában. Ez természetesen jóval egyszerűbb lesz, mint a ma élő bármilyen primitív egysejtű életforma.

"Amit mi vizsgálunk, az egyik nézőpontból az élet eredete, másik nézőpontból maga az élet mint parányi nanogépezet egysejtű szinten" - mondta Hans Ziock, a Los Alamos-i Nemzeti Laboratórium elősejtkutatója. "Az élet funkciója egyszerű nanogépezetként nem több, mint az energia fölhasználása a vegyületek olyan elrendezésére, hogy több másolatot készítsen magáról."

A mai sejtek hatalmas molekuláris gépezettel oldják meg ezt a feladatot. Még a legegyszerűbb életformák is rendelkeznek olyan fehérjerendszerekkel, amelyek lehetővé teszik a tápanyagok átjuttatását az összetett sejtmembránokon, és olyan molekulákat építenek föl, amelyek azután végrehajtják sejt genetikai parancsait. E specializált összetevők számtalan nemzedék alatt fejlődtek ki az evolúció folyamán, tehát az első életformáknak sokkal egyszerűbbeknek kellett lenniük.

Mi kell az élethez?

A tudósok között élénk vita tárgyát képezi, hogy meddig lehet egyszerűsíteni az életet. A legtöbb kutató egyetért abban, hogy a legelső működőképes életformának három alapvető alkotóelemmel kellett rendelkeznie. Ezek a következők: egy burok, ami elhatárolta a környezettől, egy anyagcsere-rendszer, benne egy energia-előállító egységgel, és egy információhordozó, például RNS vagy DNS.

Szostak korábbi munkája is kimutatta, hogy a burok valószínűleg zsírszerű anyagokból, zsírsavakból épül föl, amelyek víz hatására lipidmembránt hoznak létre. A zsírsavlánc egyik vége hidrofil, azaz a vízhez vonzódik, a másik vége hidrofób, azaz taszítja a vizet. Régóta ismert, hogy amikor sok ilyen molekulát tesznek vizes közegbe, akkor azok előbb-utóbb zárt burkot formálnak.

Ezek a membránok - megfelelő vegyületekkel töltve - bizonyos körülmények között átengedik a nukleinsavakat, más körülmények között benn tartják őket. Ez tette lehetővé valamikor a távoli múltban, hogy RNS-szerű molekulák vándoroljanak be a lipidburokba, és elkezdjenek replikálódni. A kutatók úgy vélik, hogy ez a véletlenszerű esemény - milliárdnyi evolúciós ismétléssel - vezetett a ma ismert élethez.

Az egész kutatássorozatban azonban mindig megválaszolatlan marad a kérdés: honnan származnak az utasításokat hordozó nukleinsavak? Számos kutató szerint az RNS spontán létrejöhetett a prebiotikus világban, az életet megelőző kémiai reakciók világában.

Amennyiben valóban léteztek ilyen molekulák, akkor azok már képesek voltak replikálódni az elősejt belsejében, méghozzá a mai fehérjeenzimek segítsége nélkül - ahogy azt Szostak kísérletileg is bizonyította laboratóriumában. Sok kutató azonban - bár lenyűgözőnek tartja az elősejttel végzett kísérleteket - nincs meggyőződve arról, hogy az elősejt kielégítő magyarázattal szolgálna az élet keletkezésére.

Egy magyar modell az életre

A fent ismertetett elősejtek gyakorlatilag a Gánti Tibor által az 1970-es években elméletben megalkotott ún. chemoton-rendszer kísérleti megvalósítására tett próbálkozásoknak tekinthetők.

A chemoton modell az életjelenségeket mutató élő rendszerek leegyszerűsített modellje. Olyan autokatalitikus (önreprodukáló) körfolyamatok együttese, amelyek egymással összekapcsolódnak és kölcsönhatnak - a rendszer egésze pedig életjelenségeket produkál. A chemoton modell három alrendszerének egyszerűsített leírása a következő (zárójelben az adott alrendszernek a mai földi élet esetében megjelenő domináns összetevőivel):

• Metabolikus alrendszer: olyan önreprodukáló kémiai rendszer, amely a környezetből felvett elemeket és molekulákat más molekulákká alakítja. Energiát termel és alapanyagot szolgáltat a további két alrendszernek (különböző fehérjék együttese).
• Vezérlő alrendszer: mintaként szolgáló molekulaláncok, amelyek elkészítik saját másolataikat, és számos információ kódolására adnak lehetőséget (RNS, DNS).
• Membrán alrendszer: részlegesen áteresztő burkot alkotó molekulák együttese, amely a fenti két alrendszert körbeveszi, és azt elkülöníti a környezettől (foszfolipidek alkotta hártya, sejtfal).

A chemoton anyagcserét folytathat, növekedhet, szaporodhat és programvezérelt. Ha a folyamatok összjátékaként, alkalmanként véletlen örökletes változások keletkeznek a chemotonban, az ezután született "utód" eltérhet a "szülőtől". Tulajdonságait ő is örökíteni képes, és a természetes kiválasztódás révén a kevésbé hatékony formák idővel háttérbe szorulnak, az egymást követő nemzedékek pedig evolválódnak - az újabb és újabb egyedek tehát fejlettebbé válnak.