Kiselalger og mysteriet om morfogenesen
David Coppedge, s4. januar 2023. Oversatt herfra. (Understreking ved oversetter.)

Fra kode til kunst: hvordan resulterer et lineært sett med instruksjoner i et vakkert utformet mønster? Kiselalger gjør det, og forskere sliter med å finne ut hvordan. Så langt kan de se hvor malingsflekker dukker opp på lerretet, men systemet som styrer det ferdige mesterverket unngår dem.
Morfogenese er konstruksjonen av en funksjonell form fra komponentdeler. Det er et stort mysterium innen biologi. Det er ikke nok å samle delene; de må passe sammen i henhold til en overordnet plan - på de rette stedene, i rett rekkefølge og til rett tid. Laufmann og Glicksman påpekte mysteriet med benmorfogenese i en sidefelt på side 78 av Your Designed Body, og sammenlignet det med byggingen av et hus. "Hva skal til for å bygge et hus?" spør de; "Hvor er formene for disse beinene spesifisert?"

Bilde 1. Kiselalge

Siden bein er laget av mange individuelle (og uavhengige) benceller, er det å bygge et bein et iboende distribuert problem. Hvordan vet de enkelte bencellene hvor de skal være, og hvor og hvor mye kalsium de skal deponere? Hvordan håndteres dette over kroppens utviklingssyklus, ettersom størrelsene og formene til mange av beinene vokser og endrer seg? Sikkert må spesifikasjonene for formene, deres produksjons- og monteringsinstruksjoner og deres vekstmønstre være kodet et sted. Det må også være et tredimensjonalt koordinatsystem for at instruksjonene skal gi mening. Ligger informasjonen i hver beincelle, eller sentralt plassert og hver enkelt beincelle mottar instruksjoner? Hvis hver beincelle inneholder instruksjonene for helheten, hvordan vet den hvor den er i det overordnede opplegget? Hvordan koordinerer alle disse bencellene sine handlinger for å fungere sammen i stedet for i strid med hverandre?

I mindre skala står kiselalger overfor (og løser) den samme utfordringen. I stedet for å organisere celler sammen, føyer de proteiner og uorganisk silika sammen. Kiselalger har en blåkopi (DNA) og en deleliste (proteiner) for bygging av glasshusene deres. Hva driver dem til å lage geometriske former fra delene, og plassere dem i nøyaktige posisjoner i 3D-rom? Dette virker utenfor mulighetene til deler og tegninger. Det ville være som å plassere en plan for et hus på en haug med trelast, rør, ståltråd og glass og forvente at huset skal organisere seg selv. Selv om et komplett sett med verktøy var tilgjengelig i nærheten, ville ingenting skje uten formenn og fagarbeidere.

Bilde 2. Genomet hos kiselalge

Kiselalgers hus
Det er titusenvis av arter av kiselalger som viser en rekke former. Noen få er femtakkede stjerner; andre danner trekanter, firkanter eller stenger. Hver består av to halvdeler, kalt frustler eller ventiler, som er laget av silika, som passer sammen som halvdeler av en pilleboks. Kantene på ventilene inneholder beltebånd som holder topp og bunn sammen. Ansiktene til ventilene er ofte utsmykket med porer organisert i fantastiske detaljerte arrays som viser intrikat geometri under et mikroskop. Kiselalger bygger husene sine fra innsiden og ut.
En art som heter Thalassiosira pseudonana er vist øverst i denne artikkelen. Det sirkulære lokket viser "hierarkiske mønstre av meso- og makroporer, ribber, rør og spines," arrangert med geometrisk presisjon. Disse ventilene er like funksjonelle som de er vakre. De har enorm styrke og beskytter organismen mot rovdyr og muligens mot UV-lys. Porene kan også fungere som linser, og kanaliserer de riktige bølgelengdene av lys til det fotosyntetiske maskineriet inne (se artikkelen fra Coppedge; april 2021 -lenke).

Tapper innsats
I et målrettet forsøk på å forstå hvordan kiselalgen bygger glasshuset sitt, forsøkte et team fra Center for Molecular and Cellular Bioengineering i Dresden, Tyskland, å identifisere delene av "silica deposition vesicle" (SDV) for T. pseudonana og bestemme hvordan proteinmaskineriet fungerer for å passe "silika-forløperne" i deres posisjoner på ventilen. Resultatene deres ble publisert i PNAS av Christoph Heintze et al., "The molecular basis for pore pattern morfogenesis in diatom silica."
Størrelsen på problemet kan bli verdsatt i introduksjonen deres. Mysteriet med morfogenese strekker seg utover kiselalger, og forståelsen av det kan føre til revolusjonerende teknologier.

Tallrike organismer produserer uorganiske materialer med utrolig komplekse morfologier og ekstraordinære egenskaper i en prosess som kalles biominerali-sering. Fremtredende eksempler inkluderer enkeltdomene magnetitt-nanokrystaller av bakterier som fungerer som følsomme magnetfeltsensorer, de perlemorkalsium-karbonatlagene til bløtdyr med eksepsjonelt høy bruddmotstand, og de hierarkisk porøse silikacelle-veggene til kiselalger med spennende fotoniske egenskaper. En grunnleggende forståelse av hvordan genetisk kodede maskiner er i stand til å etablere fysiske og kjemiske krefter som driver morfogenesen til slike intrikate mineralstrukturer, mangler for tiden. Derfor gir avduking av mekanismene for biomineralisering løftet om å få avanserte evner til å syntetisere mineraler med skreddersydde egenskaper ved bruk av miljøvennlige prosesser.
Alt dette er veldig appetittvekkende å vurdere, men å lese avisen deres er som å se en Sherlock Holmes-film som aldri løser seg: En mengde ledetråder, men ingen svar på det store spørsmålet: hvem vet? "Kom tilbake senere for neste spennende episode" er neppe tilfredsstillende.

Ikke det at forfatterne ikke prøvde; de isolerte SDV, en start. De identifiserte tusenvis av proteinmolekyler i SDV og søkte etter matchede sekvenser i UniProt-databasen for å sile dataene ned til de mest sannsynlige kandidatene involvert i mønsterdannelse. Etter å ha identifisert noen, kjørte de gen-knockout-eksperimenter for å se hva som resulterte. De identifiserte også reseptorer i cellemembranen for disse proteinene. Transporterproteiner, ionepumper, silikatransportører og andre deler ble merket i et modelldiagram (figur 5). De fulgte opp hypoteser om at silikaavsetning involverer væske-væskefaseseparasjon (LLPS), noe som får umontert silika i den organiske matrisen til å organisere seg til "dråper" klare for avsetning.

Bilde 3. Konsentrasjon av kiselalger

-Proteomikkanalyse av den intracellulære organellen for silikabiosyntese førte til identifisering av nye biomineraliseringsproteiner. Tre av disse, laget dAnk1-3, som inneholder et felles protein-protein-interaksjonsdomene (ankyrin-repetisjoner), noe som indikerer en rolle i å koordinere sammenstillingen av silika-biomineraliserings-maskineriet. Å slå ut individuelle fuktige gener førte til avvik i silikabiogenese som er i samsvar med væske-væskefaseseparasjon som underliggende mekanisme for poremønstermorfogenese.
Modellen deres viser at dAnk1 ser ut til å sette sammen dråpene, og dAnk2 og dAnk3 samarbeider om å stabilisere og demontere dem. Men de fant aldri kunstneren. Morfogeniet bak morfogenesen er fortsatt ukjent.
Morphos opprinnelse: Først spilt inn i 1850-55; fra New Latin Morphó, slektsnavn, fra gresk Morphô (?) "den velskapte, den vakre" (et epitet av Afrodite i Sparta), beslektet med morphḗ "form, figur, skjønnhet."

Noe som mangler
Forfatterne vurderte alternative hypoteser angående mekanismen for poremønsterdannelse: Er den maldrevet eller selvorganisatorisk? Selv om det ble funnet at dAnk1-3-genene "påvirker morfogenesen til poremønstre", ble det ikke funnet noe "morfogen". Dette får dem til å tro at "ytterligere proteiner og muligens andre komponenter er involvert i morfogeneseprosessen." Men er dette som å lete etter flere verktøy liggende på en byggeplass? Hvor er en enhet som kjenner hovedplanen og forstår hvordan den skal gjennomføres?
Betraktninger som dette over mange år førte til at Michael Denton avviste genetisk determinisme og omfavnet strukturalisme: Filosofien som form går foran funksjon, ikke omvendt. Biologiske strukturer oppstår fra interne "lover for biologisk form," sa han i 2016, som er universelle og innebygd i materiens egenskaper.
På en personlig note, var det min egen økende erkjennelse av at det gensentriske paradigmet sviktet på cellenivå og at cellearkitekturen er en "epigenetisk affære", et resultat av selvorganiseringen av cellulær materie, som var en av de viktigste faktorene som påvirker min egen overgang til strukturalisme - Denton, Evolution, still a Theory in Crisis, s. 259.

Men selv strukturalismen ser ut til å mangle noe. Det er ingen lov om biologisk form som nødvendigvis får den til å organisere seg selv i en femspisset stjerne eller en trekant, ellers ville alle kiselalger se like ut. Tusenvis av andre arter innenfor samme miljø arver svært forskjellige former. Det er ingen materiell lov som kan ta en form som en femspiss stjerne og kode den inn i et genom som fører til konsekvent arv av den formen i dens avkom. Strukturalisme kan forklare snøfnugg, som selv om de er dypt unike, likevel er bygget på det samme strukturelle mønsteret som er iboende i iskrystaller. Snøfnugg, er heller ikke arvet fra en lineær kode, som i biologi. Organiseringsprinsippene i biologiske strukturer virker veldig forskjellige fra alle andre eksempler på selvorganisering i naturen.

Bilde 4. Iskrystaller -formet etter annet prinsipp

Programvare i maskinvaren
Den eneste mekanismen vi vet sikkert kan reprodusere et skjema fra en lineær kode, er programvare. En designintelligens som skriver programvare trenger ikke å være tilstede når den er i drift. En 3D-skriver kan kjøre automatisk og produsere ubegrensede kopier av en form, gitt tilstrekkelig tilførsel av harpiks. Hvis en leketøysbutikk kjørte programvarestyrt morfogenese, ville ingen grad av inspeksjon av egenskapene til harpiksen og maskineriet forutsi formen på en statuett som kommer ut. Formen var i programmererens sinn, ikke i egenskapene til ingrediensene, naturlovene eller miljøet.

Mer design i kiselalger
To andre fakta om kiselalger burde vekke vår forståelse for deres intelligente design. Den ene er at et annet atomelement - silisium - har funnet veien inn i biologiens periodiske system. Se våre andre artikler om elementer i livet: bor, kalium salt, og rundt 20 andre. De finjusterte egenskapene til elementer er beskrevet i detalj av Michael Denton i The Miracle of Man og hans andre "Privileged Species"-bøker og videoer. Kiselalger kunne ha antatt vanlige former uten silikaskall og fortsatt overleve, i likhet med annet plankton. Men verden er beriket av deres krystallinske arkitekturer.
Et annet fantastisk faktum om kiselalger er deres bidrag til dyrelivet. Kiselalger produserer omtrent 25 prosent av luften vi puster inn. Dette reiser et filosofisk puslespill om hvorvidt nødvendige ting også kan være vakre. Ville vi forvente at en statue i et museum skal feie sitt eget gulv? En sunn atmosfære kan komme fra amorfe klatter av fotosyntetiske organismer, men skjønnheten til kiselalger gir kunstnerisk funksjon.

David Coppedge (bildet)

David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å ha delt materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte mot ham uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.