Livets opprinnelse: Topp tre problemer med protoceller
Av Rob Staedler 6.april 2022
Oversatt herfra.

Opprinnelsen til livet: Celle membraner

Bilde: Syntetisk 'protocelle' Hep3B

Den siste videoen i Long Story Short-serien ble sluppet denne uken på YouTube. Videoen forklarer hvordan cellemembraner i hele livet viser kompleksitet som ikke kan forklares av rent naturlige prosesser. Se kommentarene mine fra i går, "Ny animert video: Cellemembraner av naturlige prosesser alene?"-lenke, som legger til noen støttende detaljer til argumentet. Her er mer.

Etter hvert som vi avdekker lag etter lag av den forbløffende kompleksiteten til selv de enkleste livsformer, stoler forskningsmiljøet for livets opprinnelse i økende grad på sitt trumfkort: imaginære protoceller som visstnok har eksistert for lenge siden og var dramatisk enklere enn eksisterende liv. Som historien går, kan det moderne livet faktisk være veldig komplekst, men protoceller pleide å være mye enklere, og det var god tid for kompleksiteten til å utvikle seg.
Protoceller fyller beleilig det ubehagelig store gapet mellom de enkle molekylene som kan produseres ved prebiotiske prosesser og den svimlende kompleksiteten til alt eksisterende liv. Men det er tre store problemer med konseptet med protoceller. Disse problemene er alle støttet av sterk empirisk støtte, i skarp kontrast til konseptet med protoceller.

Et livstøttende miljø
For det første har forskere jobbet i flere tiår for å forenkle eksisterende liv, og forsøkt å komme frem til en minimal levedyktig livsform ved å kaste alt som ikke er essensielt fra de enkleste eksisterende cellene. Suksessen til Craig Venters gruppe er velkjent. Ved å bygge på sin innsats for å produsere syntetisk liv ("Synthia" eller "Mycoplasma labritorium") i 2010, (1,2) i 2016 introduserte de den nåværende rekordholderen for den enkleste autonomt reproduserende cellen (JVCI Syn3.0).3 Med et genom på bare 473 gener og 520 000 basepar med DNA, JVCI Syn3.0 kan reprodusere autonomt, men den er absolutt ikke robust. å holde den i live krever et 'smeige' - i hovedsak et livstøttende system. For å komme frem til en litt mer stabil og robust organisme som reproduserte seg raskere, la teamet senere til 19 gener for å komme frem til JVCI Syn3A.4 Når det kombineres, gir dette arbeidet en omtrentlig grense for enklest mulig selvreplikerende liv. Vi nærmer oss helt klart grensen for enkelhet med levedyktige celler. Det virker trygt å konkludere med at minst 400 gener (og omtrent 500 000 basepar med DNA) er minimumskravene for å produsere en selvreplikerende celle.

Eksport til miljøet
For det andre vet vi at prosessen med å forenkle en eksisterende celle ved å fjerne noe av dens funksjonalitet faktisk ikke forenkler det generelle problemet - den eksporterer bare den nødvendige kompleksiteten til miljøet. En kompleks, robust celle kan overleve under skiftende forhold med varierende matkilder. En forenklet celle blir avhengig av miljøet for å gi en konstant, presis strøm av de nødvendige næringsstoffene. Den forenklede cellen har med andre ord redusert evne til å opprettholde homeostase, så cellen kan bare forbli i live dersom miljøet tar på seg ansvaret for homeostase. Med henvisning til JVCI Syn3A, Thornberg et al. konkluderer: "I motsetning til de fleste organismer, som har synteseveier for de fleste av [deres] byggeklosser, har Syn3A blitt redusert til et punkt hvor den er avhengig av å måtte transportere dem inn."(5) Dette innebærer at miljøet må sørge for en kontinuerlig tilførsel av mer spesifikke og komplekse næringsstoffer. Den eneste energikilden som JVCI Syn3A kan behandle er glukose,4 så miljøet må sørge for en kontinuerlig tilførsel av den eneste tålelige maten. Intelligente mennesker kan gi et så koselig livsstøttemiljø, men en prebiotisk jord kunne ikke. Protoceller ville derfor stille uholdbare krav til miljøet, og kravene ville måtte oppfylles konsekvent i millioner av år.

Streben etter enkelhet

For det tredje vet vi at eksisterende mikrober hele tiden prøver å forenkle seg selv, i den grad miljøet deres tillater det. I Richard Lenskis berømte E. coli-eksperiment forenklet bakteriene seg selv ved å kaste ut ribose-operonene deres etter noen tusen generasjoner, fordi de ikke trengte å metabolisere ribose og de kunne replikere 2 prosent raskere uten det, noe som ga en selektiv fordel. (6) Videre , Kuo og Ochman studerte den veletablerte preferansen til prokaryoter for å minimere sitt eget DNA, og konkluderte: "slettinger oppveier innsettinger med minst en faktor på 10 i de fleste prokaryoter." (7) Dette betyr at eksisterende liv har prøvd helt fra starten til å være så enkel som mulig. Derfor er det sannsynlig at eksisterende liv allerede har nådd noe i nærheten av den enkleste mulige formen, med mindre eksperimenter som Lenski gir et 'smeige'-miljø av lang varighet, som tillater ytterligere forenkling. Men et slikt miljø krever intervensjon fra intelligente mennesker for å gi akkurat de riktige ingrediensene, i riktig konsentrasjon og til rett tid. Ingen prebiotisk miljø kunne gjøre dette. Derfor trenger ikke forskere å prøve å forenkle eksisterende liv - vi har allerede gode tilnærminger til den enkleste formen. Mycoplasma genitalium har faktisk et genom på 580 000 basepar og 468 gener (8), mens Craig Venters minimale "syntetiske celle" JVCI Syn3.0 har et sammenlignbart genom på 520 000 basepar og 473 gener.

Dataene gir et klart bilde: den overraskende kompleksiteten til selv de enkleste former for eksisterende liv - 500 00 basepar med DNA - kan ikke unngås og kan ikke reduseres med mindre intelligente midler gir et komplekst livsstøttemiljø. Fordi protoceller ville ha måttet overleve og reprodusere seg på en tøff og ellers livløs planet, er ikke protoceller et levedyktig konsept. Protoceller plasserer livsopprinnelses-forskere i en ganske vanskelig posisjon: de stoler på en imaginær enhet for å opprettholde deres tro på at bare materie og energi eksisterer.

Referanser:
1. Gibson DG et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science 2010; 329:52–56.
2. Gibson DG et al. Synthetic Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 clone sMmYCp235-1, complete sequence. 2010. NCBI Nucleotide. Identifier: CP002027.1.
3. Hutchison CA III et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science. 2016; 351: 1414.
4. Breuer et al. eLife 2019; 8:e36842. DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.36842.
5. Thornburg ZR et al. Fundamental behaviors emerge from simulations of a living minimal cell. Cell 2022; 185: 345-360.
6. Cooper VS et al. Mechanisms causing rapid and parallel loss of ribose catabolism in evolving populations of Escherichia coli B. J Bacteriology 2001, 2834-2841.
7. Kuo, CH and Ochman H. Deletional bias across the three domains of life. Genome. Biol. Evol. 1:145–152.
8. Fraser CM et al. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science. 1995; 270; 397-403.