Fra 'Signature in the cell' kap 4-5: Kompleks spesifisert informasjon

(S.C.Meyer; Harper One)

Siden starten av 1960-årene har biologer visst at evnen til å bygge funksjonelle proteiner avhenger av den presise rekkefølgen av baser i DNA. Så spesifikk informasjon har fått betydningen: 'nødvendig for å fungere'. Selv om ikke DNA blir mottatt, forstått eller brukt av en bevissthet, så har det informasjon som blir mottatt og brukt av cellens maskineri til å bygge de kritiske strukturene som trengs for å opprettholde livet.

Bilde 1. Informasjon i ulike nivåer

Strukturer som utøver spesifisert kompleksitet er ukjent bortsett fra i forbindelse med DNA, RNA og proteiner. Krystaller mangler kompleksiteten som trengs i levende celler. Polymer feiler fordi de ikke har spesifisiteten som trengs. Men vi finner igjen samme type kode i menneskelige artikler og teknologi, skrevet tekst, muntlig språk, maskin -og program -vare. Omtrent på samme tid menneskene begynte med programmering, oppdaget de at organisk liv hadde benyttet dette for å få cellene til å fungere hele tiden. Lik programkode så styrer de kodende regioner i DNA operasjoner innen et komplekst materielt system. Hvordan oppsto så disse spesifikke sekvensielle instruksjonene i DNA fra? Og hvordan klarte de å overføre informasjon innen et informasjonssystem?

Det er en slående likhet mellom hvordan en produksjons bedrift produserer ved hjelp av CAD-CAM teknologi (Computer Assisted Design and Manufacturing) og en celle produserer proteiner. En celle benytter kodet informasjon til å produsere proteiner. Tilsvarende en produksjons prosess så foregår det omdanning av informasjon fra en form for digital koding til en annen. I CAD-CAM blir den originale digitale informasjonen kodet i annen maskin-kode via et grensesnitt for numerisk kode, og så kan det bli brukt til å styre tilvirkningen av f.eks. flydeler. I ei celle blir den originale informasjonen i DNA konvertert til RNA-format, som så igjen styrer tilvirkning av proteiner.

Bilde 2. 3-D DNA struktur

Protein-syntesen

Protein-syntese består av flere påfølgende faser: 1) transkripsjon, 2) oversettelse og 3) kopiering.

1) RNA-polymer utfører flere spesifikt atskilte funksjoner i transkripsons-prosessen:
i) de gjenkjenner og binder seg til spesifikke regioner av DNA som markerer begynnelsen av genene. ii) De hjelper til å nøste opp DNA-koden og synliggjøre oppsettet som tjener som mal for å lage en RNA-kopi. iii) De isolerer og posisjonerer RNA-baser (A, U, G, C) med sin komplementære DNA-motpart (henholdsvis T, A, C, G). iv) De lenker sammen atskilte RNA-kjedene så en får et langt informasjons-bærende bånd av mRNA.

2) Ribosomene hvor produksjon av proteiner foregår må utføre flere aktiviteter i oversettingsfasen: De må: 1) Utvikle nøyaktigheten til kodon-antikodon paringen mellom m-RNA transkriptet og t-RNA. 2) Lage polymer (Polymer er et stoff som består av molekyler med stor molekylmasse med repeterende strukturell enhet) ved hjelp av overføringsenzymer, som katalyserer overføringen av en gruppe fra et stoff til et annet. Dette bidrar til en økt peptidkjede, som består av flere aminosyrer, lenket sammen i en kjede. 3) De må virke som energiomformere, som overfører kjemisk energi til mekanisk energi, gjennom omflytting av av aminosyrer fra tRNA-befrakterne. 4) De må vokte det voksende proteinet fra angrep av enzymer som vil ødelegge det. 5) Assistere i å bryte opp amino-syre tRNA kjeden via en avslutning.

Atskillige atskilte protein-faktorer samvirker og iverksetter spesialiserte kjemiske forandringer, gjennom de tre diskrete stegene: initering, forlengelse og avslutning. I celler med kjerne(eukaryote) krever initieringen alene et dusin separate protein faktorer. For hver av de tre stegene i celler uten kjerne (prokaryote) er det tre spesialiserte protein ko-faktorer som utfører spesifikke -nødvendige funksjoner. Så liksom i transkripsjons-systemet, møter utforskere av livets hemmelighet et 'høne-egg' problem.

3) Også kopierings-fasen involverer og er avhengig av mange ulike protein katalysatorer for å vikle ut, stabilisere, kopiere, editere og tilbakespole den opprinnelige DNA-beskjeden. I celler uten kjerne er det mer enn 30 spesialiserte proteiner for å utføre nødvendige funksjoner for å bygge og kopiere det genetiske molekylet. Den tre-dimensjonale foldingen av proteiner er en sak for seg. For å folde f.eks. lipider kreves det energi (ATP), og hvert av disse materialene konstrueres ved hjelp av spesifikke enzymer.

Bilde 3. Eks. på biologisk CAD

Den logiske tvisten er at produksjonen av proteiner krever DNA, mens produksjon av DNA krever proteiner. I tillegg kreves f.eks. ATP for å lage ATP (lukket loop). Dette volder problemer angående livets opprinnelse for vitenskapsfolk. Akkurat som digital informasjon på en disk er ubrukelig uten noe som kan avlese informasjon på disken, så er DNA ubrukelig uten cellens informasjons-prosesserings system. Ingen levende bio-molekyler er selv-reproduserende. Kun hele celler inneholder alt som er nødvendig for selv-reprodusering. Vi har prøvd vise at transkripsjon og oversettelse av genetisk informasjon blir tatt hånd om av et komplekst informasjonshåndterings-system, satt sammen av nukleinsyrer (som mRNA og tRNA) og mange spesifikke enzymer. Hvert sekund produseres hundrevis av proteiner i cellen.

Bilde 4. DNA, RNA og proteiner: Gjensidig avhengig av hverandre

Proteinsyntese er en tett integrert følge av reaksjoner. Kode er meningsløs om den ikke oversettes. Moderne cellers oversettingssystem består av minst femti makromolekylære komponenter, som selv er kodet i DNA. Koden kan ikke oversettes annet en via et produkt av oversettelsen.. På kortform: om proteiner trengs for å danne proteiner, hvordan startet hele greia? Sluttresultatet av proteinsyntese kreves før den kan starte!
Vi skal se på mulige forklaringsmodeller senere.

Kilder:

Wolfe, Molecular and Cellular Biology, s480-81, 639-48, 731

Cramer et al. "Structure of Eukaryotic RNA Polymerases."

Watson et al. Molecular Biology of the Gene, vol. 1:360-381, 393-430, 443

Lodish et al. Molecular Cell Biology, 120-125

Fraser et al, Minimal Bene Complement," 399,618-622

Goodspell, The Macinery of Life, 45

Lewontin, "The Dream of the Human Genome," spes. s.33