Molekylære maskiner i cellen
Oversatt herfra.

Lenge før moderne teknologi kom, sammenlignet biologistudenter livets funksjoner med maskiner.(1) De siste tiårene har denne sammenligningen blitt sterkere enn noen gang. Som en artikkel i Nature Reviews Molecular Cell Biology sier, "Biologi avslører i dag viktigheten av" molekylære maskiner "og av andre høyt organiserte molekylære strukturer som utfører de komplekse fysisk-kjemiske prosessene som livet er basert på." (2) Likeledes observerte en artikkel i Nature Methods at "de fleste cellulære funksjoner utføres av proteinkomplekser, som fungerer lik molekylære maskiner."
En molekylær maskin, ifølge en artikkel i tidsskriftet 'Accounts of Chemical Research', er "en samling av deler som overfører krefter, bevegelse eller energi fra en til en annen på en forutbestemt måte." (4) En artikkel fra 2004 i 'Annual Review of Biomedical Engineering', hevdet at "disse maskinene er generelt mer effektive enn deres makroskala-kolleger", og bemerket videre at "tallrike slike maskiner eksisterer i naturen." (5) Et enkelt forskningsprosjekt i 2006 rapporterte om oppdagelsen av over 250 nye molekylære maskiner i gjær alene! (6)

Molekylære maskiner har utgjort en sterk utfordring for de som søker å forstå dem i darwinistiske termer som produktene av en ikke-rettet prosess. I sin bok fra Darwin fra 1996, 'Darwin's Black Box: The Biochemical Challenge to Evolution', forklarte biokjemiker Michael Behe den overraskende oppdagelsen at livet er basert på maskiner:
Rett etter 1950 gikk vitenskapen fram til et punkt der den kunne bestemme formene og egenskapene til noen få av molekylene som utgjør levende organismer. Sakte, møysommelig ble strukturene til flere og flere biologiske molekyler belyst, og måten de arbeider på ble utledet fra utallige eksperimenter. De kumulative resultatene viser med tydelig klarhet at livet er basert på maskiner - maskiner laget av molekyler! Molekylære maskiner fører last fra ett sted i cellen til et annet langs 'motorveier' laget av andre molekyler, mens atter andre fungerer som kabler, tau og remskiver for å holde cellen i form. Maskiner slår cellens brytere på og av, som noen ganger dreper cellen eller får den til å vokse. Solcelle-drevne maskiner fanger opp energien til fotoner og lagrer den i kjemikalier. Elektriske maskiner lar strømmen flyte gjennom nervene. Produksjonsmaskiner bygger andre molekylære maskiner, så vel som seg selv. Celler svømmer ved hjelp av maskiner, kopierer seg selv med maskiner, inntar mat med maskiner. Kort sagt, svært sofistikerte molekylære maskiner styrer alle celle-prosesser. Dermed er livets detaljer finkalibrert og livets maskineri enormt komplekse.

Behe stilte så spørsmålet: "Kan hele livet passe inn i Darwins evolusjonsteori?", Og svarte: "Kompleksiteten i livets fundament har lammet vitenskapens forsøk på å redegjøre for det; molekylære maskiner fremhever en ennå ugjennomtrengelig barriere, mot darwinismens universelle rekkevidde." (8)

Selv de som er uenige i Behes svar på det spørsmålet, har undret seg over kompleksiteten til molekylære maskiner. I 1998 skrev tidligere president for US National Academy of Sciences Bruce Alberts den innledende artikkelen til et nummer av Cell, en av verdens 'topp' biologi-tidsskrifter, som feiret molekylære maskiner. Alberts roste 'hastighet', 'eleganse', 'sofistikering' og 'høyt organisert aktivitet' av 'bemerkelsesverdige' og 'fantastiske' strukturer inne i cellen. Han fortsatte med å forklare hva som inspirerte slike ord: Hele cellen kan sees på som en fabrikk som inneholder et forseggjort nettverk av sammen-sluttede samlebånd, som hver består av et sett med store proteinmaskiner. . . . Hvorfor kaller vi de store proteinsammensetningene som ligger til grunn for cellefunksjonsproteinmaskiner? Nettopp fordi disse proteinsamlingene, i likhet med maskiner som er oppfunnet av mennesker for å håndtere den makroskopiske verdenen, inneholder svært koordinerte bevegelige deler. (9)

I 2000 skrev Marco Piccolini også i Nature Reviews Molecular Cell Biology at "ekstraordinære biologiske maskiner realiserer drømmen fra forskerne fra det syttende århundre ... at 'maskiner til slutt vil bli funnet ikke bare ukjente for oss, men også utenkelige av vårt sinn.' Han bemerker at moderne biologiske maskiner "overgår forventningene til de tidlige forskerne". (10)

Noen år senere demonstrerte en gjennomgangsartikkel i tidsskriftet 'Biological Chemistry' vanskeligheter evolusjonære forskere har møtt når de prøver å forstå molekylære maskiner. I hovedsak må de benekte sine vitenskapelige intuisjoner når de prøver å takle kompleksiteten i det faktum at biologiske strukturer ser ut til å være konstruert etter malen fra tegninger:
Molekylære maskiner, selv om det ofte kan virke slik, er ikke laget med en tegning for hånden. Likevel er biokjemikere og molekylærbiologer (og mange forskere fra andre disipliner) vant til å tenke som ingeniør, nærmere bestemt 'omvendt ingeniørkunst'. Men det er ingen tegninger ... ‘Ingenting i biologi gir mening bortsett fra i lys av evolusjonen': vi vet at Dobzhansky (1973) må ha rett. Men tankene våre, til tross for at vi er et produkt av å tukle i seg selv, vil merkelig at vi skal tenke som ingeniører
Men gir molekylære maskiner mening, i lys av ikke-styrt darwinistisk evolusjon? Er det fornuftig å benekte det faktum at maskiner viser alle tegn på at de er designet? Michael Behe hevder at molekylære maskiner faktisk oppfyller selve testen Darwin stilte for å forfalske teorien hans, og indikerer intelligent design.

Darwin visste at hans teori om gradvis evolusjon ved naturlig utvalg bar en tung byrde:
-Hvis det kunne demonstreres at det eksisterte noe komplekst organ som umulig kunne ha blitt dannet av mange, påfølgende, små modifikasjoner, ville min teori absolutt bryte sammen.
... Hvilken type biologisk system kunne ikke dannes av "mange påfølgende små modifikasjoner"? Vel, til å begynne med, et system som er ikke-reduserbart komplisert. Med ikke-reduserbart kompleks mener jeg et enkelt system som består av flere interagerende deler, som bidrar til den grunnleggende funksjonen, og der fjerning av én av delene får systemet til effektivt slutte å fungere.

Molekylære maskiner er svært komplekse, og i mange tilfeller begynner vi bare å forstå deres indre funksjon. Som et resultat, mens vi vet at mange komplekse molekylære maskiner eksisterer, er det til dags dato bare noen få som har blitt studert tilstrekkelig av biologer slik at de har direkte testet for irredusibel kompleksitet gjennom genetiske knockout-eksperimenter eller mutasjonsfølsomhetstester. Det som følger er en ikke-uttømmende liste som kort beskriver noen molekylære maskiner identifisert i den vitenskapelige litteraturen. Den første delen vil dekke molekylære maskiner som forskere har hevdet viser irreduserbar kompleksitet. Den andre delen vil diskutere molekylære maskiner som kan være irreduserbart komplekse, men som ikke har blitt studert i tilstrekkelig detalj ennå av biokjemikere, til å tekke en avsluttende konklusjon.

Utvalgt liste over molekylære maskiner:

I. Molekylære maskiner som forskere har hevdet, viser irreduserbar kompleksitet

1. Bakterie flagellen: Flagellen er en rotasjonsmotor i bakterier som driver en propell til å spinne, omtrent som en påhengsmotor, drevet av ionestrøm for å drive rotasjonsbevegelse. I stand til å spinne opptil 100 000 omdr./min. (13) En artikkel i 'Trends in Microbiology' kalte flagellen "en utsøkt konstruert kjemo-osmotisk nanomaskin; naturens mektigste rotasjonsmotor, som utnytter en transmembran ione-motivkraft for å drive en filamentøs propell." Flagellen ligner en maskin designet av et menneske." (15) Genetiske knockout-eksperimenter har vist at E. coli-flagellem er irreduserbart kompleks med hensyn til sine omtrent 35 gener. (16) Til tross for at dette er en av de best studerte molekylære maskiner, innrømmet en oversiktsartikkel fra 2006 i Nature Reviews Microbiology at "det flagellare forskningsmiljøet knapt har begynt å vurdere hvordan disse systemene har utviklet seg." (17)

2. Eukaryotisk cilium: Cilium er en hår-lignende eller pisk-lignende struktur som er bygget på et system av mikrotubuler, typisk med ni ytre mikrotubuli-par og to indre mikrotubuler. Mikrotubulene er forbundet med nexin-armer og en padle-lignende bevegelse er igangsatt med dynein-motorer. (18) Disse maskinene utfører mange funksjoner i eukaryoter, for eksempel å la sæd svømme eller fjerne fremmede partikler fra halsen. Michael Behe bemerker at 'padle' -funksjonen til cilium vil mislykkes hvis det manglet mikrorør, tilkoblingsarmer eller mangler tilstrekkelige dyneinmotorer, noe som gjør det irreduserbart komplekst. (19)

3. Aminoacyl-tRNA-Syntetaser (aaRS): aaRS-enzymer er ansvarlige for å lade tRNA med riktig aminosyre slik at de kan delta nøyaktig i prosessen med translasjon. I denne funksjonen er aaRSs en 'aminoacylerings-maskin'. (20) De fleste celler krever tjue forskjellige aaRS-enzymer, en for hver aminosyre, uten hvilken transkripsjons-/oversettelses -maskineriet ikke kunne fungere ordentlig. (21) Som en artikkel i 'Cell Biology International' uttalte: "Nukleotidsekvensen er også meningsløs uten et konseptuelt oversettelsesskjema og fysiske 'maskinvarefunksjoner'. Ribosomer, tRNAer, aminoacyl-tRNA-syntetaser og aminosyrer er alle maskinvare-komponenter i 'mottakeren' av Shannon-meldingen. Men instruksjonene for dette maskineriet er selv kodet i DNA og utført av protein ‘arbeidere' produsert av dette maskineriet. Uten maskin- og protein-arbeiderne kan ikke meldingen mottas og forstås. Og uten genetisk instruksjon, kan ikke maskineriet settes sammen". (22) Disse komponentene kan etter manges mening danne et ikke-reduserbart komplekst system.(23)

4. Blodkoagulerings-kaskaden: Blodkoagulasjonssystemet "er et typisk eksempel på en molekylær maskin, der montering av substrater, enzymer, proteinkofaktorer og kalsiumioner på en fosfolipidoverflate akselererer koagulasjonshastigheten markant." (24) Ifølge et papir i BioEssays "interagerer molekylene med celleoverflaten (molekyler) og andre proteiner for å montere reaksjon-komplekser som kan fungere som en molekylær maskin." (25) Michael Behe hevder, basert på eksperimentelle data, at blodkoaguleringskaskaden har en irreduserbar kjerne med hensyn til komponentene, etter at startveiene konvergerer.(26)

5. Ribosom: Ribosomet er en "RNA-maskin" (27) som "involverer mer enn 300 proteiner og RNA" (28= for å danne et kompleks der messenger-RNA blir oversatt til protein, og derved spiller en avgjørende rolle i proteinsyntese i cellen. Craig Venter, en leder innen genomikk og Human Genome Project, har kalt ribosomet "en utrolig vakker kompleks enhet" som krever et "minimum for ribosomet på 53 proteiner og 3 polynukleotider," som får noen evolusjonistbiologer til å frykte at det kan være ikke-reduserbart kompleks. (29)

6. Antistoffer og det adaptive immunsystemet: Antistoffer er "fingrene" til det blinde immunforsvaret - de lar det skille en fremmed inntrenger fra kroppen selv."(30) Men prosessene som genererer antistoffer krever en serie molekylære maskiner.(31) Lymfocyttceller i blodet produserer antistoffer ved å blande og matche deler av spesielle gener for å produsere over 100.000.000 varianter av antistoffer.(32) Dette 'adaptive immunforsvaret' lar kroppen merke og ødelegge de fleste inntrengere. Michael Behe hevder at dette systemet er ikke-reduserbart komplekst, fordi mange komponenter må være tilstede for at det skal fungere: "Et stort repertoar av antistoffer vil ikke gjøre mye bra hvis det ikke er noe system for å drepe inntrengere. Et system for å drepe inntrengere vil ikke gjøre mye bra hvis det ikke er noen måte å identifisere dem på. Ved hvert trinn stoppes vi ikke bare av lokale system-problemer, men også av kravene til det integrerte systemet."(33)

II. Ekstra: molekylære maskiner

7. Spliceosome: Spliceosomet fjerner introner fra RNA-transkripsjoner før oversettelse. Ifølge en artikkel i 'Cell', "For å gi både nøyaktighet til gjenkjenning av reaktive skjøtingssteder i pre-mRNA og fleksibilitet til valg av skjøtings-steder under alternativ spleising, viser spleisosomet eksepsjonell komposisjons- og strukturell dynamikk som blir utnyttet under substrat-avhengig kompleks montering, katalytisk aktivering og ombygging av aktivt sted."(34) En artikkel fra 2009 i 'PNAS' observerte at" Spleisosomet er en massiv sammensetning av 5 RNA og mange proteiner"(35) - en annen artikkel antyder "300 forskjellige proteiner og fem RNA-er, noe som gjør den til en av de mest komplekse makromolekylære maskinene som er kjent". (36)

8. F0F1 ATP-syntase: Ifølge cellebiolog og molekylær maskinmodellist David Goodsell er "ATP-syntase et av underverkene i den molekylære verden." (37) Denne proteinbaserte molekylære maskinen består faktisk av to forskjellige rotasjonsmotorer som er forbundet med en stator: Ettersom F0-motoren drives av protoner, snur den F1-motoren. Denne kinetiske energien brukes som en generator for å syntetisere adenosintrifosfat (ATP), det primære energibærende molekylet for celler.(38)

10. Myosin: Myosin er en molekylær motor som beveger seg langs et 'spor' - i dette tilfellet aktinfilamenter - for å danne grunnlaget for muskelbevegelse eller for å transportere last i cellen.(41) Muskler bruker molekylære maskiner som myosin for å "konvertere kjemisk energi i mekanisk energi under muskelsammentrekning". (42) Muskelbevegelse krever faktisk den "kombinerte virkningen av billioner av myosinmotorer".(43)

Bilde: Kinesin vandrer med last -på mikrotubul

11. Kinesin Motor: I likhet med myosin, er kinesin en proteinmaskin som binder seg til, og bærer laster, ved å "krype hånd over hånd langs en mikrotubuli" i cellen.(44) Kinesin er kraftige nok til å trekke store cellulære organeller gjennom cellen, så vel som vesikler eller hjelp til montering av bipolare spindler, eller depolymerisering av mikrotubuli.(45)

12. Tim / Tom-systemer: Tim- eller Tom-systemer er selektive proteinpumpe-maskiner som importerer proteiner over mitokondriens indre (Tim) og ytre (Tom) membraner til mitokondriens indre matrise.(46)

13. Kalsiumpumpe: Kalsiumpumpen er en "fantastisk maskin med flere bevegelige deler" som overfører kalsium-ioner over cellemembranen. Det er en maskin som bruker en 4-trinns syklus under pumpeprosessen. (47)

14. Cytochrome C Oxidase: Cytochrome C Oxidase kvalifiserer som en molekylær maskin "siden en del av den redoksfrie energien blir transdusert til en protonelektrokjemisk gradient". (48) Enzymets funksjon er å nøye kontrollere de siste trinnene i matoksidasjon ved å kombinere elektroner med oksygen og hydrogen for å danne vann, og derved frigjøre energi. Den bruker kobber- og jernatomer til å hjelpe seg, i denne prosessen. (49)

15. Proteosom: Proteosomet er en stor molekylær maskin, hvis deler må være nøye samlet i en bestemt rekkefølge. For eksempel har 26S-proteosomet 33 forskjellige underenheter som gjør det mulig å utføre sin funksjon for å nedbryte og ødelegge proteiner som er blitt brettet feil i cellen eller på annen måte merket for destruksjon.(50) En artikkel antydet at et bestemt eukaryotisk proteasom "er kjernekomplekset av et energiavhengig proteinnedbrytnings-maskineri som tilsvarer proteinsyntese-maskineriet i dets kompleksitet". (51)

Flere maskiner i opprinnelig artikkel.