Jak vznikl život na Zemi? Jak se na mladé kamenité planetě mohly chemické látky spojit tím správným způsobem, aby vytvořily první buňky? Jak se tyto primitivní buňky začaly chovat jako život: růst, dělit se a předávat výhodné vlastnosti dalším generacím?
Původ života je obzvláště nejasný, protože geologický záznam – vrstvy hornin a usazené zkameněliny, které obsahují vodítka o historii Země a života – mizí zhruba před 3,9 miliardami let, vymazán pohyby v zemské kůře. Vědcům tak chybí přímé důkazy o podmínkách na rané Zemi, včetně důkazů o molekulách, které mohly vířit v prvotních jezírkách a tvořit stavební kameny života.
To představuje řadu otázek, přesně ten druh velkých otázek, ke kterým Jack Szostak tíhne. On a další se domnívají, že mohou v laboratoři rekonstruovat dlouhou cestu, která vedla od chemických látek ve vesmíru ke vzniku Země, k chemii před vznikem života na planetě, k raným protobuňkám a nakonec k vyspělým buňkám s metabolismem a syntézou bílkovin. Takto rozsáhlé bádání vyžaduje odborné znalosti z mnoha oborů, včetně chemie a biochemie, geologie a geofyziky a astronomie.
Szostak (vyslovuje se šach-stak) může být ideální osobou pro hledání odpovědí. Nositel Nobelovy ceny, profesor genetiky na Harvard Medical School, profesor chemie a chemické biologie na Fakultě umění a věd, Rich Distinguished Investigator v Massachusetts General Hospital (MGH) a výzkumník Howard Hughes Medical Institute je ostatními popisován jako brilantní a cílevědomý vědec. Je však také známý svou mírnou pokorou, včetně ochoty ponořit se hluboko do témat, která jsou pro něj nová, a svou kolegialitou, protože pomáhá podporovat sdílení nápadů, které posouvá vědu kupředu.
Jeho vlastní výzkum se zaměřuje na jeden úsek cesty k životu: protobuňku, „opravdu, opravdu jednoduchou prabuňku, která se mohla sestavit z chemických látek, které byly na počátku na povrchu Země,“ vysvětluje Szostak. Doufá, že se mu podaří pochopit, jak by rostla, dělila se, začala se replikovat a nakonec se vyvinula. „Možná nevíme, co se vlastně stalo, ale možná můžeme vypracovat různé možné cesty,“ říká. „Jediné, co můžeme dělat, je snažit se v laboratoři sestavit věci, které se zdají být pravděpodobné.“
„Řízená evoluce“
Letos v srpnu oslavil Szostak čtyřicátý rok svého působení na Harvardu a pětatřicátý na MGH (kde sídlí jeho laboratoř), což je období, které se vyznačuje významnými objevy v překvapivě rozmanitých oblastech. V osmdesátých letech jeho laboratoř prováděla experimenty s kvasinkami, aby pochopila genetiku a biochemii rekombinace DNA – práce, která vedla k modelu opravy dvojvláknových zlomů, který popisuje, jak se dlouhá vlákna DNA lámou, vyměňují si segmenty a pak se znovu spojují. To podnítilo následný výzkum mechanismu rekombinace během meiózy, buněčného dělení, které vede ke vzniku spermií a vajíček.
Ve stejném období jeho tým také učinil důležité objevy o telomerách – ochranných čepičkách nacházejících se na koncích chromozomů, které zajišťují správnou replikaci DNA při dělení buněk. Za tento výzkum Szostak později obdržel Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu za rok 2009, o kterou se podělil s vědkyněmi Elizabeth Blackburnovou, Sc.D. ’06, nyní emeritní pracovnicí Kalifornské univerzity v San Franciscu, a Carol Greiderovou z Univerzity Johnse Hopkinse.
V době, kdy Szostak v říjnu 2009 obdržel časně ráno telefonát ze Švédska, měl za sebou již více než 20 let zásadních příspěvků v jiných oblastech vědy. Po objevu telomer v polovině 80. let (výzkum spojoval zkrácené telomery s mnoha nemocemi stárnutí) vstoupilo do oboru mnoho vědců a Szostak se rozhodl změnit směr. „Bylo celkem jasné, jaké musí být další experimenty, a zdálo se, že cokoli uděláme, se stejně povede,“ vzpomínal. „Nikdy jsem neměl pocit, že má smysl dělat věci, které se stejně udělají. Takže mě to opravdu přimělo rozhlédnout se kolem sebe a přemýšlet o tom, jakými dalšími druhy vědeckých otázek bych se mohl začít zabývat.“ V roce 1984 přijal nabídku přesunout svou laboratoř z tehdejšího Sidney Farber Cancer Institute do MGH a připojit se k tamním vědcům, kteří se zabývali základními vědeckými poznatky. „Byla to úžasná nabídka: celý můj výzkum by byl plně financován po dobu deseti let,“ vzpomíná Szostak. „Bylo to pro mě ideální, protože mi to umožnilo změnit směr, aniž bych se musel starat o psaní grantů v novém oboru.“
Timeline based on similar graphic by Gerald Joyce
Po zvážení svých možností se rozhodl pro RNA enzymy známé jako ribozymy, obor, který považoval za „zajímavý, schůdný a ne vysoce konkurenční“. Se svými postgraduálními studenty začal vyvíjet nástroje pro vývoj RNA, jednovláknových molekul v buňkách, které kopírují genetickou informaci obsaženou v DNA. Ve zkumavkách jeho tým přiměl RNA, aby převzala nové role, například rozpoznávala cílové molekuly a katalyzovala reakce. Tento proces, známý jako „řízená evoluce“, zahrnoval zavádění mutací do řetězců RNA, hledání variant, které by mohly vykonávat užitečné funkce, a umožnění reprodukce těchto nových molekul. Podobnou práci prováděli také s DNA, peptidy a proteiny.
V roce 1994 obdržel Szostak spolu s výzkumníkem Geraldem Joycem, který nyní působí v Salkově institutu pro biologická studia, cenu Národní akademie věd v oboru molekulární biologie za to, že současně, ale nezávisle na sobě vyvinuli evoluci RNA in vitro. „Je to technologie pro vytváření molekul, které plní vaše příkazy,“ vysvětlil Joyce v jednom rozhovoru a popsal ji jako podobný způsob, jakým zemědělští vědci šlechtí krávy, aby produkovaly více mléka, nebo vyvíjejí plodiny, které odolávají suchu. „Toto je jejich molekulární verze. A je to něco, co se nyní velmi široce praktikuje,“ dodává (viz „Harnessing Evolution“, leden-únor 2017, str. 15), způsob vývoje nových molekul pro řadu použití, včetně léků.
Pro Szostaka práce na řízené evoluci vyvolala nové otázky. „Stále více mě zajímalo, jak evoluce na rané Zemi začala sama od sebe,“ vzpomíná. „Jedna věc je vyvíjet selekční tlaky a provádět darwinovskou evoluci v laboratoři, kde máte enzymy, studenty a přístroje. Ale Darwinova evoluce nějak začala sama od sebe.“ Vzhledem k tomu, že schopnost evoluce je klíčovou vlastností života, kladl si Szostak jednu ze základních otázek vědy:
Původ: „
Kanadský Američan Szostak se narodil v Londýně, kde jeho otec studoval obor leteckého inženýrství. Rodina se nakonec vrátila do Kanady, kde žila v Ottawě a poté v Montrealu a jeho otec pracoval pro kanadské letectvo. (Jeho matka pracovala dlouhá léta v administrativních funkcích v průmyslové chemické společnosti a Szostak tam jako teenager absolvoval svou první letní brigádu – testoval stálost barev ve firemní laboratoři. „Práce to byla opakující se a nudná, ale dalo mi to první pohled na to, jak důležité je testovat a znovu testovat výrobky pro skutečné použití,“ vzpomíná. V té době se už „vážně zajímal“ o vědu, matematiku a inženýrství. V 25 letech získal doktorát z biochemie na Cornellově univerzitě a svého školitele Raye Wu označuje za důležitého mentora: „
Ačkoli Szostak během své kariéry prováděl praktický aplikovaný výzkum – jedna ze společností, kterou založil, Ra Pharma, objevila lék na onemocnění myasthenia gravis, který se chystá zahájit třetí fázi klinických zkoušek -, nejvíce ho baví základní věda.
„Je to vzrušující doba pro neurovědu, protože dnes lze řešit problémy, na které jste před 30 lety nemohli ani pomyslet.“
„Podle mého názoru existují tři velké základní vědecké otázky, které jsou super zajímavé: vznik života, vznik vesmíru a vznik mysli nebo vědomí,“ nabízí, když sedí ve své tiché, téměř prázdné kanceláři v Mallinckrodtově laboratoři na Oxford Street v Cambridge. (Kancelář slouží k příležitostným schůzkám; Szostak pracuje hlavně ve své laboratoři na MGH.) Po vzniku života ho nejvíce zajímá vznik mysli. Když v osmdesátých letech plánoval, co bude dělat po svém výzkumu telomer, uvažoval o přechodu ke studiu neurověd a dokonce se účastnil seminářů na toto téma na Harvardu. „Bylo to fascinující, ale také depresivní, protože technologie byla tak primitivní,“ vzpomíná. Od té doby se zájmem sleduje, jak se nástroje tohoto oboru zdokonalují. „Pro mladé lidi je nyní vzrušující doba, kdy se mohou věnovat neurovědám, protože díky všem novým technologiím lze nyní řešit problémy, na které jste před 30 lety nemohli ani pomyslet,“ říká. „Přesto je celkový problém stále tak obrovský a poněkud skličující. Já se na to dívám tak, že pracuji na nejjednodušším z těchto velkých problémů.“ Protože otázky týkající se vzniku života dobře vyhovují současným výzkumným technologiím, dodává, že je to podle něj „řešitelný problém.“
Modelové protobuňky a „chaotická“ RNA
Szostakův tým vyrábí modelové protobuňky od počátku roku 2000 a snaží se zjistit, jak se mohly původně sestavit a vyvinout. Tyto primitivní struktury byly „extrémně jednoduché“ ve srovnání s nejjednodušší jednobuněčnou bakterií na Zemi v současnosti, vysvětluje. Protobuňky pravděpodobně obsahovaly minimální tukovou membránu a zpočátku jen jeden gen, který buňce poskytoval určitou výhodu. Moderní bakterie naproti tomu „mají přinejmenším stovky a obvykle tisíce genů.“
Přes některé teorie, že raný život vznikl v blízkosti hydrotermálních průduchů v hlubokém oceánu, je Szostak přesvědčen spíše výzkumem, který ukazuje, že nejstarší buňky se vyvinuly na souši v jezírkách nebo tůních, možná ve vulkanicky aktivních oblastech. Ultrafialové světlo a údery blesku mohly pomoci přeměnit molekuly v atmosféře na kyanid a další užitečné materiály a vytvořit tak stavební kameny života. Mělká voda by poskytla těmto materiálům místo, kde by se mohly hromadit ve vysokých koncentracích, a sopečná činnost by mohla vytvářet teplé a studené teplotní výkyvy užitečné pro určité chemické reakce.
Historie Země a počátky života
Na rozdíl od dvouvláknové DNA, v níž se báze cytosin a thymin párují s guaninem a adeninem na opačném vlákně, mohou báze jednošroubovicového vlákna RNA ve vodě vytvářet asociace s volně plovoucími nukleobázami (znázorněno na obrázku výše). Pokud se pak tyto volně plovoucí báze navzájem spojí, vznikne nová, zrcadlová kopie vlákna RNA, která se při zahřátí vody od původní rozpadne. Když se toto nové vlákno zase replikuje, vytvoří zrcadlovou kopii sebe sama, která odpovídá původnímu vláknu RNA. Při tomto procesu kopírování někdy dochází k chybám a prospěšné chyby se zvěčňují. Každý řetězec, který funguje jako předloha pro svou vlastní replikaci, se tak vyvíjí a interaguje se svým okolím.
Někteří vědci, včetně Geralda Joyce, předpokládají, že život mohl začít mimo buňky, kdy se volně plovoucí molekuly setkaly a vytvořily vazby, které by jim umožnily chovat se jako život. Szostak však tvrdí, že buněčná membrána byla nezbytná, částečně proto, že by udržela pohromadě užitečné genetické molekuly a zabránila užitečným metabolitům vytvořeným geneticky zakódovanými ribozymy, aby odpluly do okolní vody nebo byly zachyceny jinými procházejícími protobuňkami.
Experimenty v jeho laboratoři ukázaly, jak by taková membrána mohla růst a dělit se. Výzkumníci kombinovali mastné kyseliny, jako je kyselina olejová, s vodou a pufrem (aby se udrželo stabilní pH roztoku) a pak roztok protřepali. Při pohledu pod mikroskopem se složky shromáždily do vezikul: kruhových, tekutinou naplněných struktur s dvouvrstvými membránami. Přidání dalších mastných kyselin do prostředí, které slouží jako živiny, způsobilo, že z vezikul vyrostla dlouhá, vlasům podobná vlákna, která byla tak křehká, že i jemný závan vzduchu na mikroskopickém sklíčku způsobil jejich rozlomení na kousky. Szostakův tým dosáhl podobných výsledků s různými molekulami tvořícími membrány a v různých prostředích, což naznačuje, že se jedná o pravděpodobný způsob růstu a následného dělení membrán protobuněk. Jak by ale tato struktura mohla předat prospěšný genetický materiál další generaci dceřiných buněk? „Právě genetický materiál ve skutečnosti vypadá jako mnohem těžší problém,“ říká.“
Pro sdílení zděděných vlastností s následujícími generacemi se dnešní buňky spoléhají na DNA – dvoušroubovici složenou z nukleobází adeninu, cytosinu, guaninu a thyminu -, která uchovává a předává genetickou informaci. Replikace DNA v buňkách však vyžaduje jednořetězcovou molekulu RNA a bílkovinné enzymy a geneticky zakódované bílkoviny jsou příliš složité na to, aby se na rané Zemi vytvořily samovolně. Protože RNA dokáže jak uchovávat a přenášet genetickou informaci (jako DNA), tak katalyzovat chemické reakce (jako bílkovinné enzymy), mnozí vědci se domnívají, že primitivní buňky používaly molekuly RNA k plnění genetických i enzymatických úloh.
Na konci 60. let 20. století navrhl britský vědec Leslie Orgel, že RNA nebo něco jí podobného mohlo být první molekulou na Zemi, která se replikovala a vyvíjela; tato hypotéza se stala známou jako „svět RNA“. Orgel a další se po desetiletí snažili pochopit, jak se řetězce RNA mohly spojit a replikovat, ale jejich úsilí nebylo zcela úspěšné. „Na začátku došlo k velkému pokroku, ale pak se to zastavilo, protože se objevily desítky různých problémů a v té době na žádný z nich neexistovala jasná odpověď,“ vysvětluje Szostak. „V podstatě všichni byli frustrovaní a říkali si: ‚Možná život nezačal s RNA. Možná existuje něco jednoduššího, snadněji vyrobitelného, snadněji replikovatelného.“
„Dnes toho víme mnohem víc a jen díky tomu, že jsme věci rozdělili na jednotlivé menší problémy, jsme byli schopni některé z nich vyřešit.“
Výzkumníci hledali alternativy k RNA, „a to vedlo k 10 až 20 letům opravdu zajímavé chemie, kdy jsme přišli na spoustu zajímavých molekul,“ poznamenává Szostak. „Ale zatím se neobjevilo nic jednoduššího nebo lepšího než RNA, co by skutečně fungovalo.“ Někteří vědci podporují hypotézu „metabolismu jako prvního“, která předpokládá, že život mohl začít bez genetického materiálu, prostřednictvím řady samovolných reakcí, ale Szostak a další o tom nejsou přesvědčeni. Asi před sedmi lety se začal znovu zabývat překážkami, kterým Orgel a jeho současníci čelili při pochopení syntézy RNA. „Nyní toho víme mnohem více,“ vysvětluje, „a jen díky tomu, že jsme věci rozdělili na jednotlivé menší problémy, jsme byli schopni některé z nich vyřešit.“
Szostakova laboratoř se nyní téměř výhradně zaměřuje na to, jak se mohla prvotní RNA kopírovat. Moderní RNA se skládá velmi pravidelným, předvídatelným způsobem, přičemž nukleotidové stavební bloky do sebe zapadají jako řetěz. Každý blok obsahuje cukr (ribózu), fosfát a jednu ze čtyř nukleobází (nazývaných také dusíkaté báze) – adenin, cytosin, guanin a uracil (obvykle nazývané A, C, G a U). Jednotky ribózy a fosfátu jsou spojeny dohromady a tvoří „páteř“ RNA. V moderních buňkách katalyzují bílkovinné enzymy reakci, která spojuje nukleotidové jednotky do řetězců RNA.
Modelová protobuňka, jejíž lipidová membrána mohla uzavírat a chránit jediný gen
Obrázek s laskavým svolením Szostak Laboratory
V protobuňkách na rané Zemi by řetězec RNA sloužil jako šablona, na níž by se sestavil nový, komplementární řetězec nukleotidů, než by se oddělil a stal se další šablonou, na kterou by se mohly nacvaknout další volně plovoucí nukleotidy. Na rozdíl od předvídatelné moderní RNA však raná RNA neměla k dispozici bílkoviny, které by tento stavební proces katalyzovaly. (Protože proteiny nemohou vzniknout bez složitého a vysoce vyvinutého buněčného aparátu potřebného k jejich syntéze, většina vědců se domnívá, že na prapůvodní Zemi pravděpodobně neexistovaly). Raná RNA byla proto pravděpodobně chaotičtější, s mnohem větší variabilitou cukerné páteře a bází, říká Szostak. Jeho tým v současné době experimentuje, „aby získal určitou představu o tom, jaká variabilita by byla tolerována a jaká by byla vyřazena. Náš současný model je, že začínáte s něčím, co je chaotické a má v sobě spoustu různých variací, a během cyklů replikace skončíte s něčím, co se blíží moderní homogenní RNA.“
Práce Szostaka a postgraduálního studenta Seohyun Kima z roku 2018 ilustruje možnou variabilitu rané RNA a jejích stavebních kamenů A, C, G a U. „V roce 2018 se objevil článek, ve kterém Szostak a postgraduální student Seohyun Kim ukázali, že RNA byla v rané fázi vývoje velmi variabilní. Vědci pokročili v pochopení toho, jak mohly prebiotickými chemickými reakcemi vzniknout C a U, ale potýkají se s A a G. Szostak a Kim naznačují, že RNA mohla začínat s různými nukleobázemi, a jejich experimenty ukázaly, že místo G (guanosinu) účinně funguje nukleosid inosin, který lze vyrobit z A (adeninu). „To celý problém zjednodušuje,“ vysvětluje Szostak. „Teď už jen potřebujeme vědět, jak vyrobit A.“
Další nedávné experimenty v laboratoři se zaměřily na kovové ionty potřebné k nastartování procesu kopírování RNA. Výzkumníci obvykle používají hořčík, „ale musíme ho používat ve velmi vysokých koncentracích,“ což má negativní vedlejší účinky, vyvolávající degradaci RNA nebo destrukci buněčné membrány. „Doufejme, že najdeme nějaký jednoduchý, věrohodný způsob, jak zajistit, aby vše fungovalo s menším množstvím hořčíku, nebo možná budeme muset celý problém přehodnotit a přistoupit k němu z jiného směru,“ vysvětluje Szostak. „Zatím jen tápeme ve tmě a snažíme se zjistit, kde by mohla být cesta k řešení.“
Ohřívání a ochlazování, které lze připsat vulkanismu, jako například v Yellowstonském Velkém prizmatickém prameni, by usnadnilo ranou evoluci RNA.
Foto: Istock Images
Některé cesty nevycházejí, a dokonce přinášejí chyby. V roce 2016 Szostakova laboratoř publikovala v časopise Nature Chemistry článek, který ukázal, že peptid mohl pomoci RNA replikovat bez enzymů. Brzy poté se k laboratoři připojil výzkumný pracovník Tivoli Olsen, který tato zjištění nedokázal reprodukovat. Její recenze článku odhalila, že tým špatně interpretoval data, a Szostak článek stáhl. „Pracujeme na těžkých problémech a nejtěžší věcí ve vědě, jak myslím říkal Feynman, je neoklamat sám sebe,“ říká Szostak. Potenciální řešení bylo vzrušující, „a myslím, že nás prostě zaslepilo před tím, co se děje“. Dodává, že „záchranou“ je, že na chyby přišli sami, i když by si přál, aby se to stalo „před zveřejněním článku, a ne až po něm“. Řekl bych, že mnoho našich nápadů je nakonec chybných, ale obvykle si to uvědomíme docela rychle.“
Je optimistický, pokud jde o potenciál nedávných objevů v jiných laboratořích; například John Sutherland z Laboratoře molekulární biologie Rady pro lékařský výzkum (MRC) v anglické Cambridgi nedávno objevil novou techniku aktivace nukleotidů – chemickou modifikaci těchto stavebních kamenů, která pohání proces replikace. Sutherland se o tyto poznatky podělil se Szostakovou laboratoří ještě před jejich publikováním a Szostak říká, že zkoumají způsoby, jak tuto techniku začlenit do svých vlastních experimentů.
Jakmile jeho tým sestaví fungující protobuňky, které obsahují kousky RNA, očekávají, že informace v některých specifických sekvencích RNA přinese určitý užitek protobuňce, která ji obklopuje. Například předchozí práce naznačují, že některé sekvence RNA by se mohly složit tak, aby se z nich stal ribozym, který by mohl vyrábět poněkud dokonalejší lipidy pro buněčnou membránu. „Jakákoli sekvence RNA, která dělá cokoli, co pomáhá vlastním buňkám přežít nebo se rychleji replikovat, začne přebírat populaci,“ vysvětluje Szostak. „To jsou počátky darwinovské evoluce. A pak jsme zase biologové.“
Po získání Nobelovy ceny mohl Szostak opustit laboratoř a věnovat se cestování a pozvánkám na přednášky, ale „on zůstává soustředěný na vědu,“ říká Gerald Joyce. „To na něm obdivuji nejvíce.“ Někteří mohou považovat základní výzkum za intelektuální luxus, ale jeho praktici tvrdí, že veškerá aplikovaná věda začíná u základních vědeckých poznatků. „Když si Crick a Watson sedli a začali vytvářet kartonové modely struktury DNA, netušili, že o 70 let později z toho vznikne průmysl v hodnotě miliard dolarů,“ poznamenává John Sutherland.
Szostak je i nadále odhodlán řešit tyto velké a náročné otázky a pokračovat v práci, která trvala celá desetiletí. „Doufám, že se mi podaří vybudovat vyvíjející se buněčný systém, než odejdu do důchodu,“ říká. Své šance vidí optimisticky. „Myslím, že se k tomu blížíme. Zbývá ještě několik těžkých problémů a pak si myslím, že za pár let bude snad vše vyřešeno.“