DNA - Šta je prethodilo DNK i RNK

MOGUĆE JE DA ŽIVOT NIJE POČEO SA DNK I PROTEINIMA KAO ŠTO DANAS MISLIMO.MOŽDA JE POČEO SA NEČIM MNOGO, MNOFO JEDNOSTAVNIJIM.
 
N aučnici već godinama pokušavaju da oponašaju funkcije DNK i RNK da bi, između ostalog, otkrili kako su one nastale u ranom periodu razvoja života na Zemlji. Sada je, međutim, naučnicima uspelo da stvore sintetičke verzije molekula DNK i RNK, koje su se potom nastavile same kopirati i razvijati.
U izveštaju, predstavljenom u broju časopisa "Science", navodi se da sposobnost DNK (Dezoksiribonukleinska kiselina) i RNK (Ribonukleinska kiselina) da prenesu nasledne informacije nije jedinstvena. Otkriće bi moglo da ima revolucionarno značenje za budući razvoj sintetičke biologije i biotehnologije. Ono takođe pokazuje da bi život, ako postoji negde drugo u svemiru, mogao da bude određen evolucijom, ali ne nužno i sličnim hemijskim uslovima koji su doveli do pojave života na našoj planeti. Mnogi stručnjaci vjeruju da je RNK (Ribonukleinska kiselina) nastala prva, ali pretpostavljaju da je i tom hemijskom jedinjenju prethodila neka jednostavnija kiselina koja je obavljala iste funkcije. Do sada nije bilo poznato može li neki drugi molekul učestvovati u istim procesima koji DNK i RNK omogućavaju prenošenje informacija sadržanih u njihovim bazama nukleotida (genetski kod). 

Vođa novog istraživanja, Filip Holiger iz Laboratorije za molekularnu biologiju "Medical Research Council"-a u Velikoj Britaniji i njegovi saradnici kreirali su šest različitih molekula sličnih DNK i RNK, tzv. ksenonukleinskih kiselina (XNK) tako što su zamenili grupe šećera od kojih su izgrađene njihove stranice lestvica. "Mnogi hemičari pokušavaju da stvore alternativne nukleinske kiseline i uspeli su da modifikuju njihove baze, šećere, međutim mi smo se fokusirali na onu vrstu nukleinske kiseline koja bi zadržala sposobnost komunikacije s prirodnom DNK", rekao je dr. Holiger za časopis "Science".

Povećane šanse da u svemiru nismo sami

Obzirom da su u novom eksperimentu nukleobaze veštačke DNK ostale iste kao u prirodnim DNK i RNK, kreirani molekuli mogli su se povezati s prirodnim. U stvaranju potpuno veštačke genetike ključno je to da sintetičke DNK i RNK mogu ne samo da prenesu genetsku informaciju, već takođe omogućavaju da se ona menja i prenosi dalje, drugim rečima da evoluira i da se nasleđuje. U ovom procesu ključnu ulogu imaju molekuli pomoćnici polimeraze koje molekulima DNK i RNK, nakon što rastvore svoje lance i otkriju svoju genetsku informaciju, pomažu da stvore nove lance DNK na osnovu tih instrukcija.

                                            

Britanskom tim je uspelo da kreira i polimeraze koje su efikasno prepisane kod veštačke DNK u prirodnu i potom iz nje nazad u drugu sintetičku DNK. U svojoj laboratoriji stručnjaci su takođe pokrenuli proces evolucije – jednu od DNK dizajnirali su tako da se veže uz određeni protein ili RNK, dok su ostale koje nisu uspele propale. Pošto su uspešni molekuli stvarali niz svojih kopija, u njima su nastajale i varijacije genetskog koda. 'Uspeli smo da dokažemo da se nasleđivanje gena – pohranjivanje i prenošenje informacija - kao i evolucija, dva kamena temeljca života, mogu reprodukovati i primeniti u alternativnim polimerima drugačijim od DNK i RNK", objasnio je Holiger i dodao:

 "Ne postoji ništa jedinstveno u DNK i RNK – ne postoje nadmoćni funkcionalni imperativi prema kojima bi genetski sistemi ili biologija morali biti utemeljeni na ove dve nukleinske kiseline." Iako u novoj studiji nije stvorena potpuno sintetička DNK, kojoj ne bi trebala prirodna DNK kao posrednik, stručnjaci smatraju da ona ipak predstavlja važan korak napred u veštačkoj genetici, biotehnologiji i egzobiologiji, odnosno u istraživanju vanzemaljskog života.

________________________________

ULOGA POLIMERAZA

da se podsetimo na  ulogu polimeraza

Funkcionisanje svakog dela našeg tela se zasniva na slučaju (slučajno pravi molekul mora da pogodi pravu metu pod pravim uglom), proseku (koja funkcija je verovatnija, željena ili neželjena), i termodinamičkom haosu.

DNK se sastoji od dva lanca koja su povezana jedan sa drugim. Ovi lanci se sastoje od četiri različite baze - adenina, guanina, timina i citozina, koji se obično označavaju slovima A, G, T i C, respektivno. Ako se na jednom lancu DNK nalazi adenin (A), on može da sa timinom (T) na suprotnom lancu da uspostavi dve vodonične veze. Takođe, guanin (G) može da uspostavi tri vodonične veze sa citozinom (C). Dva lanca DNK se sastoje od ovako povezanih baznih parova, proizvodeći nešto što liči na merdevine povezane u sredini nizom vodoničnih veza: lanci su strana merdevina, a svaki AT ili GC bazni par je po jedna stepenica. Zbog raznih razloga, ove "merdevine" su zatim "zavrnute" u spiralu, tako da dobijamo nešto slično ovome:

Da bi se DNK iskopirala, ova dva lanca se razdvoje, i svaki se kopira posebno.  Jedan lanac (3'->5') se kopira na prilično komplikovan način, dok se drugi lanac (5'->3') kopira jednostavno. Koncentrisaćemo se na kopiranje ovog drugog lanca. Kako se to događa?Na lanac DNK se "zakači" enzim (protein) zvani DNK polimeraza. Ovaj enzim onda klizi niz DNK, i dodaje jednu po jednu bazu koja je komplementarna postojećem lancu. Znači, ako naleti na T, on na drugu stranu zakači A. Ako naleti na C, zakači G. Itd. Pogledajmo ovo na slici:

  Okolina DNK je ispunjena rastvorenim šećerima, hiljadama vrsta proteina, RNK molekula, energetskim molekulima kao što je ATP, sastavnim delovima RNK (koji se od sastavnih delova DNK razlikuju samo po jednom jedinom atomu kiseonika!), i mnogim drugim stvarima. Ova haotična smesa se haotično kreće: molekuli udaraju jedni o druge, odskaču, naleću, provače se između većih struktura...
Zamislimo da je naša polimeraza u položaju kakav vidimo na donjem delu prethodne slike: iskopirala je jedan deo DNK, i sada se nalazi pored timina (T). Ona sada treba da na novi lanac zakači adenin (A), koji je komplementarna baza timinu. Kako će ona da nađe pravi sastavni deo u svom okolnom haosu?Odgovor je da uopšte neće tražiti - ona će računati na haos da donese ono što je potrebno! Ona će prosto da stoji i čeka. Na nju će da naklete hiljade različitih molekula različitih vrsta, naelektrisanja, i oblika. Povremeno će na nju da nalete i sastavni delovi DNK, pa i željeni adenin...ali će naleteti pod pogrešnim uglom, ili na pogrešan deo molekula, i prosto će se odbiti i odleteti nazad u haos. Ali pre ili kasnije, neki molekul koji liči na sastavni deo DNK (po obliku, veličini i naelektrisanju) će naleteti na DNK polimerazu pod pravim uglom, i na pravo mesto. DNK polimeraza reaguje na ovo tako što uhvati taj molekul, i gurne ga fizički prema DNK molekulu koga pokušava da kopira. Ako je u pitanju pogrešan nukleotid - recimo, ako je uhvaćen guanin umesto adenina - on se neće uklopiti sa suprotnom stranom, i biće izbačen iz polimeraze. Ona onda nastavlja da čeka.

Tek kada željena grupa, adenin, naleti pod pravim uglom i sa pravim ubrzanjem, DNK polimeraza će moći da gurne ovaj sastojak na mesto, formira novu hemijsku vezu, i pređe na sledeće "slovo" DNK.

GREŠKE

Pogledajmo ovaj proces pažljivo: imamo protein koji visi na DNK. Na njega će naleteti više milijardi različitih molekula, pre nego što naleti pravi molekul pod pravim uglom, i pre nego što ona može da napravi samo jedan jedini korak niz DNK molekul! Na sreću, molekularni pokreti su veoma, veoma brzi; čak i sa ovim ograničenjem, DNK polimeraza može da iskopira preko hiljadu parova u minutu.Ali ovo nije kraj haosa. I pored sve pažnje, u okviru svakih par hiljada baznih parova, DNK polimeraza će povremeno da udene pogrešno "slovo" - recimo, G nasuprot T. Ovo bi dovelo do nivoa grešaka koji je dopustiv kod prostih organizama, ali koji je potpuno nedopustiv kod kompleksnih, višećelijskih bića kao što su ljudi. Zbog ovoga, postoji sistem za korekciju grešaka. Pogrešno slovo nije u stanju da stvori pravilne vodonične veze, zbog čega ono izaziva "izbočinu" u spirali DNK. "Zadnji kraj" DNK polimeraze, koji se vuče po DNK iza dela molekula koji kači nova slova, će da uoči tu "izbočinu", i odseći će pogrešno slovo...nakon čega će da povuče DNK polimerazu nazad, da bi ona udenula pravo slovo na to mesto. Ovo drastično smanjuje broj grešaka, tako da se na kraju u kopiranju događa samo jedna greška na svakih nekoliko desetina hiljada iskopiranih baznih parova.

Kretanje molekula u okviru mešavine unutar ćelije je slučajno - ali u proseku proizvodi dovoljno pravilnih "udaraca" u DNK polimerazu da bi ona mogla da funkcioniše. Kada sastojak udari na pravi način, pokret kojim polimeraza "gura" taj deo prema potrebnom mestu je potpuno mehanička hemijska promena, zasnovana na činjenici da sastojak "zaklanja" jedan deo molekula od okolne vode.
Isto važi i za ispravku grešaka. Ne postoji neki "vozač" koji sedi na DNK polimerazi i koji je onda vozi unazad kada primeti grešku. Deo molekula DNK polimeraze jednostavno uvek seče vezu kada se veza nađe u određenom položaju - koji je mnogo češći u slučaju greške nego u slučaju pravilno postavljenog dela.
izvor