Mikä tekee elämästä elämää? Jos miettii asiaa, yksi perustavanlaatuisimmista ja kiehtovimmista näkökohdista on tietysti kyky lisääntyä. Jokainen elävä organismi, yksinkertaisimmista bakteereista monimutkaisimpiin nisäkkäisiin, ilmestyy maapallolle ”vanhempiensa” ansiosta, jotka luovat jälkeläisiä omasta solumateriaalistaan. Tämä meille niin tuttu prosessi perustuu hämmästyttävän monimutkaiseen ja tarkkaan biokemiaan, jossa jokainen vaihe on huolellisesti suunniteltu.
Sisällysluettelo
Olemme tottuneet ajattelemaan, että elämä on mahdotonta ilman DNA:ta, proteiineja, monimutkaista aineenvaihduntaa – lyhyesti sanottuna ilman koko tätä monimutkaista biokemiallista koneistoa. Ei ole ihme, että suuri Rudolf Virchow, solupatologian isä, totesi vuonna 1858 selvästi: ”Jokainen solu syntyy edellisestä solusta.” Toisin sanoen, elämä synnyttää elämää, ja tämä ketju näyttää katkeamattomalta.
Mutta mitä tapahtuisi, jos itsensä jäljentäminen voisi tapahtua ilman tätä monimutkaista kemiallista ”taikuutta”? Voiko ”elämä” – tai ainakin sen tärkein toiminto – syntyä ja jatkua ympäristössä, joka on täysin vapaa biokemiallisista prosesseista?
Yleisesti hyväksyttyjen näkemysten kyseenalaistaminen
Vielä viime aikoihin asti monet tutkijat pitivät tätä kuvitelmana. Kyllä, on yritetty luoda jotain lisääntymisen kaltaista laboratorio-olosuhteissa: jotkut molekyylit pystyivät itseorganisoitumaan ja jäljittelemään jotain jakautumisprosessia. Nämä prosessit perustuivat kuitenkin aina tavalla tai toisella biokemiallisiin periaatteisiin, vaikkakin yksinkertaistettuihin, tai eivät osoittaneet todellista itsenäistä itsensä jäljentämistä.
Ja sitten näyttämölle astuivat tutkijat Harvardin yliopistosta, jotka päättivät haastaa yleisesti hyväksytyt näkemykset. Heidän ideansa oli rohkea, mutta elegantti: luoda järjestelmä, jossa synteettiset solurakenteet voisivat muodostua ja lisääntyä ilman biologisten molekyylien käyttöä.9
Kemiallinen ”keittiö” ”keinotekoisille soluja”
Kuinka he tekivät sen? Kuvittele pieni pullo, joka sisältää komponentteja, jotka ensi silmäyksellä eivät voi järjestäytyä itsestään. Se oli vesiliuos, jossa oli hydrofiilinen polymeeri (joka ”rakastaa” vettä) ja johon oli lisätty ovela ”ketjun siirtäjä” (CTA) hydrofobisilla ominaisuuksilla (eli ”pelkää” vettä). Siihen lisättiin monomeeri – eräänlainen molekyylirakennuspalikka – ja fotokatalyytti – eräänlainen valolle herkkä kemiallisen reaktion laukaisija. Koko seos oli inertissä typpiatmosfäärissä, jotta ei tapahtuisi ei-toivottuja reaktioita. Pohjimmiltaan se oli ”yksikammioinen reaktori”, jossa kaiken piti tapahtua itsestään.
Mitä sitten tapahtui? Seos asetettiin pehmeän vihreän valon (530 nm) alle puolitoista tunniksi lämpötilaan, joka oli hieman yli ihmisen ruumiinlämpötilan – 33 °C.
Protokliskeiden synty ja niiden hämmästyttävä tanssi
Ja tässä alkaa mielenkiintoisin osa. Vihreän valon vaikutuksesta käynnistyy erityinen reaktio, joka tunnetaan nimellä valokemiallinen polymerointi ketjunsirron kautta (RAFT). Kuulostaa monimutkaiselta, mutta ydin on siinä, että alkuperäiset molekyylit alkoivat muuttua joksikin aivan muuksi – niin kutsutuiksi amfifilisiksi blokkikopolymeereiksi.
Mitä ovat nämä salaperäiset ”amfifilit”? Kuvittele molekyylejä, joiden toinen pää ‘rakastaa’ vettä ja toinen ”pelkää” sitä. Muistatko, miten saippua toimii? Ne tarttuvat rasvaan ”hydrofobisella” hännällään, ja ”hydrofiilinen” pää liukenee veteen ja vie mukanaan lian. Vastaavasti näissä uusissa amfifilisissä kopolymeereissä alkoi tapahtua itsestään järjestäytyminen. Niiden ”vesiä pelkäävät” osat yrittivät piiloutua vedeltä, kun taas ”vettä rakastavat” osat yrittivät pysyä pinnalla. Tuloksena ne muodostivat spontaanisti pieniä onttoja palloja, jotka muistuttivat hyvin solukuplia. Tutkijat nimittivät ne synteettisiksi tai polymeerisiksi proktosoluiksi. Hämmästyttävää, eikö vain? Vain valoa, muutamia kemikaaleja – eikä mitään monimutkaisia biologisia ohjeita.
Mutta kaikkein hämmästyttävintä on, että nämä keinotekoiset ”solut” eivät vain muodostuneet ja olemassa. Ne alkoivat kasvaa ja… lisääntyä! Nämä vesikkelit kasvoivat tiettyyn kokoon ja sitten, kuten elävät solut, jakautuivat vapauttaen pieniä polymeerisiä ”itiöitä”.
Nämä ”itiöt” muuttuivat ”siemeniksi” uusille vesikuloille. Ja mikä tärkeintä, jokainen uusi ‘tytär’ rakenne peri tiettyjä ominaisuuksia ”äitinsä” vesikuloilta. Näiden rakenteiden lukumäärä kasvoi epälineaarisesti, eksponentiaalisesti.
Tämä on hyvin samanlaista kuin bakteerien tai yksinkertaisten levien jakautuminen, paitsi että tässä ei ole DNA:ta, RNA:ta, entsyymejä eikä meille tuttuja biokemiallisia mekanismeja. Yksinkertainen, mutta poikkeuksellisen ”älykäs” kemia.
Ovi menneisyyteen ja tulevaisuuteen
Tämä tutkimus ei ole vain hauska laboratoriokoe. Se kyseenalaistaa monia käsityksiämme siitä, mitä elämä on ja miten se on voinut syntyä.
Ensinnäkin se osoittaa, että itsensä jäljentäminen, joka on kaikkien elävien järjestelmien keskeinen piirre, voi syntyä yksinkertaisten kemiallisten reaktioiden tuloksena ilman minkäänlaista biokemiallista monimutkaisuutta. Tämä avaa uusia näkökulmia teorioihin elämän syntymästä maapallolla. Ehkä juuri nämä olivat ensimmäisiä elämän ”rakennuspalikoita” – yksinkertaisia, ei-biologisia rakenteita, jotka kykenivät itseorganisoitumiseen ja lisääntymiseen ja jotka ajan myötä vain ”kasvoivat” yhä monimutkaisemmaksi biokemiaksi? Se on kuin kurkistaisi kauas planeettamme menneisyyteen ja näkisi mahdollisen skenaarion elämän syntymästä.
Toiseksi se on tärkeää astrobiologialle – tieteelle, joka tutkii elämää Maan ulkopuolella. Jos elämä voi lisääntyä ilman maapallon biokemiaa, jossain muualla maailmankaikkeudessa voi olla täysin erilaisia elämänmuotoja, jotka perustuvat muihin kemiallisiin periaatteisiin. Ehkä etsimme paitsi vesi-hiili-elämää myös jotain täysin erilaista, jota emme ole aiemmin osanneet edes kuvitella.
Kolmanneksi se avaa tien täysin uusien abioottisten, ”elämää muistuttavien” järjestelmien luomiseen. Kuvittele materiaaleja, jotka voivat uusiutua tai lisääntyä itsestään, uusia nanorobottityyppejä tai jopa keinotekoisia organismeja, jotka toimivat ei-biologisilla periaatteilla. Mahdollisuudet näyttävät todella rajattomilta.
Harvardin tutkijoiden tutkimus ei ole vain askel, vaan todellinen jättiharppaus elämän perusperiaatteiden ymmärtämisessä. Se muistuttaa meitä siitä, että luonto on paljon kekseliäämpi kuin voimme kuvitella. Ja ehkä ”elämä” ei ole vain sitä, mitä näemme ympärillämme, vaan jotain paljon universaalimpaa ja hämmästyttävämpää, joka voi piillä yksinkertaisimmissa kemiallisissa prosesseissa. Kuka tietää, mitä salaisuuksia yksinkertaisten molekyylien maailma vielä kätkee?
