Hur började livet på jorden? På en ung, stenig planet, hur kan kemikalier ha kommit samman på rätt sätt för att bilda de allra första cellerna? Hur började dessa primitiva celler bete sig som liv: de växte, delade sig och förde fördelaktiga egenskaper vidare till nästa generation?
Livets ursprung är särskilt dunkelt eftersom den geologiska dokumentationen – de lager av sten och inbäddade fossil som innehåller ledtrådar om jordens och livets historia – försvinner för ungefär 3,9 miljarder år sedan, utplånad av rörelser i planetens jordskorpa. Därför saknar forskarna direkta bevis för förhållandena på den tidiga jorden, inklusive bevis för de molekyler som kan ha virvlat runt i primordiala dammar och bildat livets byggstenar.
Detta ger upphov till en mängd frågor, just den typ av stora frågor som Jack Szostak dras till. Han och andra tror att de i laboratoriet kan rekonstruera den långa väg som ledde från kemikalier i rymden, till jordens bildning, till kemin före livet på planeten, till tidiga protokollceller och slutligen till avancerade celler med ämnesomsättning och proteinsyntes. Sådana här omfattande undersökningar kräver expertis inom många områden, bland annat kemi och biokemi, geologi och geofysik samt astronomi.
Szostak (uttalas shah-stak) kan vara den idealiska personen för att söka efter svaren. Nobelpristagare, professor i genetik vid Harvard Medical School, professor i kemi och kemisk biologi vid fakulteten för konst och vetenskap, Rich Distinguished Investigator vid Massachusetts General Hospital (MGH) och forskare vid Howard Hughes Medical Institute, beskrivs av andra som en briljant och driven vetenskapsman. Men han är också känd för sin milda ödmjukhet, inklusive en vilja att dyka djupt ner i ämnen som är nya för honom, och för sin kollegialitet, för att hjälpa till att främja idéutbyte som för vetenskapen framåt.
Hans egen forskning är inriktad på en del av vägen till liv: protocellen, ”en mycket, mycket enkel primitiv cell som kan byggas upp av kemikalier som fanns tidigt på jordens yta”, förklarar Szostak. Han hoppas kunna förstå hur den skulle växa och dela sig, börja replikera sig och så småningom utvecklas. ”Vi kanske inte vet vad som faktiskt hände, men vi kanske kan räkna ut olika möjliga vägar”, säger han. ”Allt vi kan göra är att försöka sätta ihop saker i labbet som verkar rimliga.”
”Riktat utvecklingsarbete”
I augusti i år fyllde Szostak fyrtio år vid Harvard och trettiofem år vid MGH (där hans labb är beläget), en tid som präglats av viktiga upptäckter inom en överraskande mängd olika områden. På 1980-talet utförde hans labb experiment med jäst för att förstå genetiken och biokemin av DNA-rekombination – ett arbete som ledde till modellen för reparation av dubbelsträngsbrott, som beskriver hur långa DNA-strängar bryts, byter segment och sedan återförenas. Detta föranledde senare forskning om mekanismen för rekombination under meios, den celldelning som leder till spermier och ägg.
Under samma period gjorde hans team också viktiga upptäckter om telomerer – de skyddande hättor som finns i kromosomernas ändar och som ser till att DNA replikeras på rätt sätt när cellerna delar sig. För denna forskning fick Szostak senare 2009 Nobelpriset i fysiologi eller medicin, som han delade med forskarna Elizabeth Blackburn, Sc.D. ’06, nu emerita vid UC, San Francisco, och Carol Greider vid Johns Hopkins.
När Szostak fick sitt telefonsamtal från Sverige tidigt på morgonen i oktober 2009 hade han redan tillbringat över 20 år med att göra fundamentala bidrag inom andra vetenskapsområden. Efter telomerupptäckterna i mitten av 1980-talet (forskningen kopplade förkortade telomerer till många åldrande sjukdomar) kom många forskare in på området och Szostak valde att byta inriktning. ”Det var ganska tydligt vad nästa experiment måste vara, och det kändes som om allt vi gjorde skulle bli gjort ändå”, minns han. ”Jag har aldrig känt att det är någon större mening med att göra saker som ändå kommer att bli gjorda. Så det fick mig verkligen att se mig omkring och fundera på vilka andra typer av vetenskapliga frågor jag skulle kunna börja ta itu med.” År 1984 accepterade han ett erbjudande om att flytta sitt labb från det som då var Sidney Farber Cancer Institute till MGH, för att ansluta sig till de forskare där som arbetade med grundläggande vetenskap. ”Det var ett fantastiskt erbjudande: all min forskning skulle få full finansiering i tio år”, minns Szostak. ”Det var perfekt för mig eftersom det gjorde det möjligt för mig att ändra riktning utan att behöva oroa mig för att skriva bidrag på ett nytt område.”
Timeline based on similar graphic by Gerald Joyce
Efter att ha övervägt sina alternativ bestämde han sig för RNA-enzymer, så kallade ribozymer, ett område som han såg som ”intressant, lätthanterligt och inte särskilt konkurrensutsatt”. Han och hans doktorander började utveckla verktyg för att utveckla RNA, de enkelsträngade molekylerna i cellerna som kopierar genetisk information som finns i DNA. I provrör fick hans team RNA att anta nya roller, t.ex. att känna igen målmolekyler och katalysera reaktioner. Denna process, som kallas ”riktad evolution”, innebar att man införde mutationer i RNA-strängarna, letade efter varianter som kunde utföra användbara funktioner och lät dessa nya molekyler reproducera sig. De gjorde också liknande arbete med DNA, peptider och proteiner.
1994 fick Szostak National Academy of Sciences Award in Molecular Biology, tillsammans med forskaren Gerald Joyce, nu vid Salk Institute for Biological Studies, för att samtidigt men oberoende av varandra ha utvecklat in vitro evolution av RNA. ”Det är en teknik för att skapa molekyler som gör vad man vill”, förklarade Joyce i en intervju och beskrev det som liknande det sätt på vilket jordbruksforskare föder upp kor för att producera mer mjölk eller utvecklar grödor som står emot torka. ”Detta är den molekylära versionen av detta. Och det är något som nu praktiseras i stor utsträckning”, tillägger han (se ”Harnessing Evolution”, januari-februari 2017, sidan 15), ett sätt att utveckla nya molekyler för en rad olika användningsområden, inklusive läkemedel.
För Szostak väckte arbetet med riktad evolution nya frågor. ”Jag blev mer och mer intresserad av hur evolutionen kom igång helt av sig själv på den tidiga jorden”, minns han. ”Det är en sak att införa selektiva tryck och göra darwinistisk evolution i laboratoriet, där man har enzymer, studenter och instrument. Men på något sätt startade den darwinistiska evolutionen helt av sig själv.” Med tanke på att förmågan att utvecklas är en viktig egenskap hos livet ställde Szostak en av vetenskapens grundläggande frågor: Hur startade livet?
Orsprung: ”Tre stora, grundläggande frågor”
Den kanadensisk-amerikanske Szostak föddes i London, där hans far studerade för en examen i flygteknik. Familjen återvände så småningom till Kanada, där de bodde i Ottawa och sedan Montreal, och hans far arbetade för det kanadensiska flygvapnet. (Szostaks brytning har kvar spår av hans kanadensiska arv.) Hans mor arbetade i många år i administrativa roller för ett industrikemiskt företag, och Szostak hade sitt första sommarjobb där som tonåring, då han testade färgbeständighet i företagets färgningslaboratorium. ”Jobbet var repetitivt och tråkigt, men det gav mig min första inblick i hur viktigt det är att testa och omtesta produkter för användning i verkligheten”, minns han. Vid den tiden var han ”allvarligt intresserad” av naturvetenskap, matematik och teknik. Han doktorerade i biokemi vid 25 års ålder i Cornell och kallar sin rådgivare Ray Wu för en viktig mentor: ”Han skapade en fantastisk laboratoriemiljö, men visade mig också hur man kan få hjälp med ett projekt när man står inför problem.”
Men även om Szostak har bedrivit en del praktisk, tillämpad forskning under sin karriär – ett av de företag som han startade, Ra Pharma, har upptäckt ett läkemedel mot sjukdomen myasthenia gravis som är på väg att påbörja kliniska prövningar i fas III – brinner han mest för grundforskning.
”Det är en spännande tid att ägna sig åt neurovetenskap eftersom man nu kan ta itu med problem som man inte ens kunde tänka sig för 30 år sedan.”
”För mig finns det tre stora grundläggande vetenskapliga frågor som är superintressanta: livets ursprung, universums ursprung och sinnets eller medvetandets ursprung”, säger han när han sitter på sitt tysta, nästan tomma kontor i Mallinckrodt Laboratory på Oxford Street i Cambridge. (Kontoret är till för tillfälliga möten; Szostak arbetar huvudsakligen i sitt labb vid MGH). Efter livets ursprung är det sinnets ursprung som intresserar honom mest. På 1980-talet, när han planerade vad han skulle göra efter sin telomerforskning, övervägde han att övergå till studier av neurovetenskap och satt till och med med på seminarier på Harvard i ämnet. ”Det var fascinerande, men också deprimerande, eftersom tekniken var så primitiv”, minns han. Han har med intresse sett hur verktygen på området har utvecklats sedan dess. ”Det är en spännande tid för unga människor att gå in i neurovetenskap, för med all den nya tekniken kan man nu ta itu med problem som man inte ens kunde tänka sig för 30 år sedan”, säger han. ”Ändå är det övergripande problemet fortfarande så enormt och något skrämmande. Som jag ser det arbetar jag med det enklaste av dessa stora problem.” Eftersom frågor om livets ursprung lämpar sig väl för nuvarande forskningsteknik, tillägger han, tror han att det är ”ett problem som går att lösa.”
Modellprotokollceller och ”rörigt” RNA
Szostaks grupp har tillverkat modellprotokollceller sedan början av 2000-talet och försökt ta reda på hur de kan ha satts samman och utvecklats ursprungligen. Dessa primitiva strukturer var ”extremt enkla” i jämförelse med den enklaste encelliga bakterie som finns på jorden idag, förklarar han. Protokollceller innehöll troligen ett minimalt fettmembran och ursprungligen bara en gen som gav cellen någon fördel. Moderna bakterier har däremot ”minst hundratals och vanligtvis tusentals gener”.
Trots vissa teorier om att det tidigaste livet uppstod i närheten av hydrotermiska skorstenar i det djupa havet är Szostak mer övertygad av forskning som visar att de tidigaste cellerna utvecklades på land i dammar eller bassänger, möjligen i vulkaniskt aktiva områden. Ultraviolett ljus och blixtnedslag kan ha bidragit till att omvandla molekyler i atmosfären till cyanid och andra användbara material för att skapa livets byggstenar. Det grunda vattnet skulle ge dessa material en plats att ackumuleras i höga koncentrationer, och vulkanisk aktivitet skulle kunna skapa varma och kalla temperatursvängningar som är användbara för vissa kemiska reaktioner.
En historia om jorden och livets början
I motsats till dubbelsträngat DNA, där baserna cytosin och tymin bildar par med guanin och adenin på den motsatta strängen, kan baserna i en enkelspiralformad RNA-sträng i vatten bilda associationer med fritt svävande nukleobaser (som visas i bilden ovan). Om dessa fritt flytande baser sedan fusionerar med varandra skapas en ny spegelkopia av RNA-strängen, som bryts sönder från originalet när vattnet värms upp. När den nya strängen replikeras i sin tur skapar den en spegelkopia av sig själv som matchar den ursprungliga RNA-strängen. Ibland uppstår fel i denna kopieringsprocess, och fördelaktiga misstag förevigar sig själva. Varje kedja, som fungerar som en mall för sin egen replikation, utvecklas på så sätt och interagerar med sin omgivning.
Vissa forskare, däribland Gerald Joyce, menar att livet kan ha börjat utanför cellerna, med fritt flytande molekyler som möter varandra och bildar bindningar som gör att de kan agera som liv. Men Szostak hävdar att cellmembranet var nödvändigt, bland annat för att det skulle hålla samman fördelaktiga genetiska molekyler och förhindra att de användbara metaboliter som tillverkas av genetiskt kodade ribozymer flyter iväg i det omgivande vattnet eller fastnar i andra förbipasserande protoceller.
Experiment i hans labb visade hur ett sådant membran skulle kunna växa och delas. Forskarna kombinerade fettsyror som oljesyra med vatten och en buffert (för att hålla pH-värdet i lösningen stabilt) och skakade sedan lösningen. När de betraktades i mikroskop hade ingredienserna samlats till vesiklar: cirkulära, vätskefyllda strukturer med tvåskiktade membran. Genom att lägga till extra fettsyror i miljön – för att tjäna som näring – fick vesiklarna att växa upp långa, hårliknande trådar som var så ömtåliga att till och med en lätt luftpuff på objektglaset fick dem att gå sönder i bitar. Szostaks grupp uppnådde liknande resultat med olika membranbildande molekyler och i olika miljöer, vilket tyder på att detta är ett rimligt sätt för ett protokollcellsmembran att växa och sedan dela sig. Men hur skulle denna struktur kunna överföra fördelaktigt genetiskt material till nästa generation dotterceller? ”Det är det genetiska materialet som faktiskt ser ut att vara ett mycket svårare problem”, säger han.
För att dela med sig av nedärvda egenskaper till på varandra följande generationer förlitar sig dagens celler på DNA – den dubbelhelixmolekyl som består av nukleobaserna adenin, cytosin, guanin och tymin – för att lagra och överföra genetisk information. Men för att replikera DNA i cellerna krävs både den enkelsträngade molekylen RNA och proteinenzymer, och genetiskt kodade proteiner är alldeles för komplexa för att ha bildats spontant på den tidiga jorden. Eftersom RNA både kan lagra och överföra genetisk information (som DNA) och katalysera kemiska reaktioner (som proteinenzymer) tror många forskare att primitiva celler använde RNA-molekyler för att fylla både genetiska och enzymatiska roller.
I slutet av 1960-talet föreslog den brittiske forskaren Leslie Orgel att RNA, eller något som liknar det, skulle kunna vara den första molekylen på jorden som replikerade sig och utvecklades; detta blev känt som hypotesen om ”RNA World”. Orgel och andra arbetade i årtionden för att förstå hur kedjor av RNA kan ha kommit samman och replikerats, men deras ansträngningar var inte helt framgångsrika. ”Det gjordes en hel del framsteg tidigt, men sedan gick det bara i stå eftersom det fanns ett dussintal olika problem och vid den tiden fanns det inget uppenbart svar på något av dem”, förklarar Szostak. ”I stort sett alla blev frustrerade och tänkte: ’Livet kanske inte började med RNA. Det kanske finns något enklare, som är lättare att tillverka och replikera.”
”Vi vet så mycket mer nu, och bara genom att bryta ner saker och ting i enskilda, mindre problem har vi kunnat lösa en del av dem.”
Forskarna letade efter alternativ till RNA, ”och det ledde till 10-20 år av riktigt intressant kemi, där vi kom fram till en massa intressanta molekyler”, konstaterar Szostak. ”Men hittills har det inte kommit fram något enklare eller bättre än RNA som verkligen fungerar.” Vissa forskare stöder en ”metabolism-first”-hypotes, som innebär att livet kan ha startat utan genetiskt material genom en serie självförsörjande reaktioner, men Szostak och andra är fortfarande inte övertygade. För ungefär sju år sedan började han se tillbaka på de hinder som Orgel och hans samtidiga mötte när de försökte förstå RNA-syntesen. ”Vi vet så mycket mer nu”, förklarar han, ”och bara genom att bryta ner saker och ting i enskilda, mindre problem har vi kunnat lösa några av dem.”
Szostaks labb fokuserar nu nästan helt och hållet på hur ursprungligt RNA kan ha kopierat sig självt. Modernt RNA sätts ihop på mycket regelbundna och förutsägbara sätt, med nukleotidbyggstenar som klickar ihop som en kedja. Varje block innehåller ett socker (ribose), en fosfat och en av fyra nukleobaser (även kallade kvävebaser) -adenin, cytosin, guanin och uracil (vanligen kallade A, C, G och U). Ribosfosfatenheterna är sammanfogade för att bilda RNA:s ”ryggrad”. I moderna celler katalyserar proteinenzymer den reaktion som förenar nukleotidenheterna till RNA-kedjor.
En modellprotocell, vars lipidmembran kan ha inneslutit och skyddat en enda gen
Bild med tillstånd från Szostak Laboratory
I protoceller på den tidiga jorden skulle RNA-kedjan ha fungerat som en mall på vilken en ny, komplementär kedja av nukleotider sattes samman, innan den lossnade för att bli ytterligare en mall på vilken andra fritt svävande nukleotider kunde klicka ihop. Men till skillnad från förutsägbart modernt RNA hade det tidiga RNA inte fördelen av proteiner för att katalysera uppbyggnadsprocessen. (Eftersom proteiner inte kan bildas utan det komplexa och högt utvecklade cellulära maskineri som krävs för deras syntes, tror de flesta forskare att det var osannolikt att de fanns på den ursprungliga jorden). Tidigt RNA var därför troligen mer rörigt, med mycket större variation i sockerryggraden och baserna, säger Szostak. Hans grupp experimenterar för närvarande ”för att få en uppfattning om vilken variabilitet som skulle tolereras och vilken som skulle rensas bort”. Vår nuvarande modell är att man börjar med något som är rörigt och har många olika variationer, och under replikationscyklerna får man något som ligger närmare modernt homogent RNA.”
En artikel från 2018 av Szostak och doktorand Seohyun Kim illustrerar den möjliga variabiliteten hos det tidiga RNA:t och dess A, C, G och U-byggstenar. Forskarna har gjort framsteg när det gäller att förstå hur C och U kan ha genererats genom prebiotiska kemiska reaktioner, men de har haft problem med A och G. Szostak och Kim föreslår att RNA kan ha börjat med olika nukleobaser, och deras experiment har visat att nukleosiden inosin, som kan tillverkas av A (adenin), fungerar effektivt i stället för G (guanosin). ”Detta förenklar det övergripande problemet”, förklarar Szostak. ”Nu behöver vi bara veta hur man tillverkar A.”
Andra nyligen genomförda experiment i laboratoriet har fokuserat på de metalljoner som behövs för att sätta igång RNA-kopieringsprocessen. Forskare använder vanligtvis magnesium, ”men vi måste använda det i mycket höga koncentrationer”, vilket har negativa bieffekter och utlöser nedbrytning av RNA eller förstörelse av cellmembranen. ”Förhoppningsvis hittar vi något enkelt, rimligt sätt att få allt att fungera med mindre magnesium, eller så måste vi kanske tänka om på hela problemet och angripa det från ett annat håll”, förklarar Szostak. ”Vi känner oss bara omkring i mörkret och försöker se var det kan finnas en väg till en lösning.”
Vulkanismens uppvärmning och nedkylning, som vid Yellowstones Grand Prismatic Spring, skulle ha underlättat den tidiga evolutionen av RNA.
Fotografi av Istock Images
En del av vägarna fungerar inte och leder till och med till fel. År 2016 publicerade Szostaks labb en artikel i Nature Chemistry som visade att en peptid kunde ha hjälpt RNA att replikera utan enzymer. Strax därefter anslöt sig forskarkollegan Tivoli Olsen till labbet och kunde inte reproducera dessa resultat. Hennes granskning av artikeln visade att teamet hade misstolkat uppgifterna, och Szostak drog tillbaka artikeln. ”Vi arbetar med svåra problem, och det svåraste inom vetenskapen, som jag tror att Feynman sa, är att inte lura sig själv”, säger Szostak. Den potentiella lösningen var spännande, ”och jag tror att den bara gjorde oss blinda för vad som pågick”. Den ”räddande grejen”, tillägger han, är att de upptäckte felen på egen hand, även om han önskar att det hade skett ”innan artikeln publicerades i stället för efteråt”. Jag skulle säga att många av våra idéer slutar med att vara felaktiga, men vanligtvis inser vi det ganska snabbt.”
Han är optimistisk när det gäller potentialen hos nya upptäckter i andra laboratorier. John Sutherland vid Medical Research Council (MRC) Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, England, upptäckte till exempel nyligen en ny teknik för att aktivera nukleotider, dvs. att kemiskt modifiera dessa byggstenar för att driva replikationsprocessen. Sutherland delade med sig av dessa upptäckter till Szostaks labb innan de publicerades, och Szostak säger att de utforskar sätt att införliva denna teknik i sina egna experiment.
När hans team sätter ihop fungerande protokollceller som innehåller delar av RNA förväntar de sig att information i vissa specifika RNA-sekvenser ska ge en viss fördel till den protokollcell som omger den. Tidigare arbete tyder till exempel på att vissa RNA-sekvenser skulle kunna veckas för att bli ett ribozym som skulle kunna tillverka något mer avancerade lipider för cellmembranet. ”Alla RNA-sekvenser som gör något som hjälper sina egna celler att överleva eller replikera snabbare kommer att börja ta över populationen”, förklarar Szostak. ”Det är början på den darwinistiska evolutionen. Sedan är vi tillbaka till att vara biologer igen.”
Efter att ha vunnit Nobelpriset kunde Szostak ha lämnat labbet för att ägna sig åt resor och föreläsningsinbjudningar, men ”han håller sig fokuserad på vetenskapen”, säger Gerald Joyce. ”Det är det jag beundrar mest hos honom.” Vissa kanske ser grundforskning som en intellektuell lyx, men dess utövare hävdar att all tillämpad vetenskap börjar med grundvetenskapliga rön. ”När Crick och Watson satte sig ner och började göra kartongmodeller av DNA:s struktur hade de ingen aning om att det skulle ge upphov till en industri som 70 år senare skulle vara värd miljarder dollar”, konstaterar John Sutherland.
Szostak fortsätter att arbeta med dessa stora, utmanande frågor och fortsätta decenniernas arbete. ”Jag hoppas kunna bygga ett utvecklande cellulärt system innan jag går i pension”, säger han. Han är optimistisk om sina chanser. ”Jag tror att vi är på väg dit. Det finns några fler svåra problem, och sedan tror jag att allting förhoppningsvis kommer att vara löst inom ett par år.”