Leyndardómar gena, baktería og uppruna lífs

Um Ráðgátu lífsins.

Birtist í náttúrufræðingnum 2015.

Rannsóknir á erfðum, frumum og lífefnum gátu af sér sameindaerfðafræðina á fyrstu áratugum síðustu aldar. Á þeim tíma var Guðmundur Eggertsson við nám í Kaupmannahöfn og kynntist rannsóknum sem lögðu grunninn að sameindaerfðafræðinni. Rannsóknir Guðmundar snerust um gen baktería og kerfin sem þýða erfðatáknmálið, og síðar um erfðir hitakærra baktería. Í nýlegu ritgerðasafni, Ráðgáta lífsins, fjallar Guðmundur um nokkur lykilatriði sameindaerfðafræðinnar og tilgátur og rannsóknir á uppruna lífsins. Bókin er tvískipt. Í fyrstu fjórum þáttunum rekur Guðmundur sögu erfðafræðinnar, kynnir hugmyndir um genið, segir frá erfðum baktería og veira þeirra og útskýrir loks líkanið um byggingu erfðaefnisins DNA. Síðan eru hugmyndir og tilraunir tengdar uppruna lífsins raktar í þremur þáttum. Umræðan um uppruna lífs sprettur náttúrulega úr sameindaerfðafræðinni og er samofin grunnatriðum hennar, enda þurfa tilgáturnar að skýra tilurð gena, prótína og kerfa frumunnar. Í lokin dregur Guðmundur efnið saman og tekst á við ráðgátur lífsins.

Leyndardómar gena og sameindaerfðafræði

Rétt eins og erfðaefnið er byggt upp af tveimur samofnum þáttum eru rætur sameindaerfðafræði aðskildar en samtvinnaðar, úr örverufræði, erfðafræði, lífefnafræði og tilraunalíffræði. Viðfangsefni sameindaerfðafræði eru fjölbreytt. Hún ber upp spurningar á borð við: Hvernig virkar fruman, hvað er gen, hvernig hafa gen og breytingar í þeim áhrif á svipfar, hvernig verða stökkbreytingar, og hví hafa ólíkar breytingar í geni missterk áhrif? Vísindamenn með bakgrunn í ólíkum fræðum, jafnvel eðlisfræðingar og læknar, tókust á við stórar spurningar og hjálpuðust að við að svara þeim. Framfarir í rannsóknum á byggingu gensins urðu fyrir tilstuðlan vísindamanna á sviði bakteríuerfðafræði, en þegar þá rak í strand nýttust niðurstöður fengnar með öðrum aðferðum, svo sem lífefnafræði. Guðmundur lýsir þessu í samantekt kaflans um bakteríuveirur.

Það er líka ástæða til að benda á að margar af tilraunum bakteríuveiruskólans voru með sérstökum glæsibrag. Flestar snertu þær erfðir veiranna. Lífefnafræðin var lengi vel sniðgengin en þrátt fyrir það fengust skýrar niðurstöður sem hlutu þegar fram liðu stundir að höfða til lífefnafræðinga og beinlínis kalla á afskipti þeirra. Þannig urðu rannsóknir á hinum örsmáu bakteríuveirum einn helsti hvati þess samruna erfðafræðilegra og lífefnafræðilegra rannsókna sem gengið hafa undir nafninu sameindalíffræði. (68)

Í fyrsta kafla bókarinnar er kynnt genið og eðli erfða. Hvernig flytjast eiginleikar frá foreldrum til afkvæma? Hvers vegna eru afkvæmi stundum stærri eða rauðhærðari en foreldrarnir? Tilraunir Gregors Mendels (1822–1884) og fyrstu erfðafræðinganna sýndu að einhverjar eindir fluttust frá foreldrum til afkvæma. En úr hverju voru erfðaeindirnar sem Wilhelm Johannsen (1857–1927) kallaði gen? Það reyndist erfitt að finna byggingarefni gensins og enn í dag er erfitt að rannsaka virkni þeirra. Í öðrum og þriðja kafla bókarinnar rekur Guðmundur sögu rannsókna á erfðum baktería og veira þeirra. Grundvallarlögmál erfða afhjúpuðust með rannsóknum á plöntum og dýrum. Fyrstu erfðafræðingarnir efuðust um að bakteríur lytu þeim lögmálum, eða töldu að erfðir þeirra væru annarskonar en stærri lífvera. „Bakteríur voru lengi utangarðs í erfðafræðinni,“ segir Guðmundur (35). Þær efasemdir voru rækilega afsannaðar. Smásæir sveppir og bakteríur reyndust hin heppilegustu tilraunadýr, uxu hratt, voru sparneytin, þoldu frystingu og mátti hreinrækta. Með þynningum og strikunum var hægt að einangra staka stofna, sem ræktuðust af einni einustu bakteríu – af því að bakteríur vaxa kynlaust. Einnig fundust frávik, stofnar örvera sem sýndu sérstök einkenni. Þrátt fyrir kynlausar tilhneigingar baktería reyndust þær heppilegar fyrir erfðafræðilegar rannsóknir. Mögulegt var að blanda saman stofnum og finna blendinga. Miklu máli skiptir að bakteríur má rækta í gríðarlegu magni. Guðmundur rekur frábærlega hvernig „kynlíf“ baktería og veira afhjúpaði lykilatriði erfðafræðinnar. Eins og áður sagði náðu erfðafræðingar og lífefnafræðingar ekki saman í upphafi. „Það var varla fyrr en með tilraunum Beadles og Tatums að þær tóku að nálgast hvor aðra,“ segir Guðmundur (33). George W. Beadle (1903–1989) og Edward L. Tatum (1909–1975) gerðu merkar tilraunir á bleika brauðsveppnum (Neurospora crassa). „Þeir félagar framkölluðu í Neurospora fjölda stökkbreytinga sem hindruðu lífefnafræðileg ferli og skilgreindu áhrif þeirra með lífefnafræðilegum og erfðafræðilegum aðferðum“ (33). Hreinræktaðar lífefnafræðilegar tilraunir voru einnig stundaðar. Hluti frumu eða veiru var einangraður, og virknin könnuð. Lífefnafræðilegar aðferðir virka vel fyrir stöðugar stórsameindir en síður fyrir óstöðugar afurðir eða prótín sem lífverur framleiða í litlu magni eða við sérstakar aðstæður.

Í líffræði sem öðrum vísindum byggjast framfarir oft á því að vísindamennirnir finni heppileg kerfi. Mendel notaði ertur. Frumkvöðlar sameindaerfðafræði notuðu örverur og veirur sem sýktu þær. Guðmundur útskýrir hvers vegna bakteríuveirur reyndust svo vel til þessara rannsókna. Bakteríur fjölga sér mjög hratt, E. coli skiptir sér á u.þ.b. 25 mínútum, og veirurnar hafa einnig stuttan líftíma. Mikilvægast er að sýkja má gerla með tveimur stökkbreyttum veirustofnum og meta tíðni endurröðunar á milli gena og innan . Þannig fundust til dæmis gen sem stjórnuðu sýkihæfni veirunnar. Rannsóknir á bakteríuveirum og efnaskiptum baktería afhjúpuðu lögmál genastjórnunar. Guðmundur minnir okkur á mikilvægi gerlanna:

Til áréttingar á því hve E. coli nýttist vel til undirstöðurannsókna má nefna að á árunum 1959 til 1978 hlutu ekki færri en 10 vísindamenn Nóbelsverðlaun fyrir rannsóknir á erfðum eða efnaferlum bakteríunnar og veira hennar. En eftir 1980 þegar aðferðir líftækninnar höfðu komið til sögunnar tók áhugi manna að beinast æ meir að heilkjörnungum, að genum þeirra og þroskaferlum. Árangurinn lét ekki á sér standa. Miklar rannsóknir eru samt enn stundaðar á bakteríum þótt blómaskeið bakteríuerfðafræðinnar sé liðið. Það er vafið ævintýraljóma, ekki síst í augum þeirra sem þar voru þátttakendur. (51)

Ein helsta ráðgáta síðustu aldar var: Hvað er erfðaefnið? Í fjórða kafla bókarinnar segir frá leitinni að erfðaefninu og hvernig bygging þess var afhjúpuð. Guðmundur lýsir því hvernig tilraunir sýndu fram á efnainnihald kjarnsýrunnar DNA. Hún samanstendur af fjórum gerðum basa, sem kallast A, C, G og T. Fyrst var ályktað ranglega að basarnir væru í sömu hlutföllum og alltaf í sömu röð. Efni með slíka eiginleika gagnast ekki sem upplýsingageymsla. Lífefnafræðingurinn Erwin Chargaff (1905–2002) afsannaði þessa hugmynd og sýndi að hlutföll basanna eru ekki jöfn í öllum lífverum. Hann sýndi einnig að hlutföll A- og T-basa og C- og G-basa haldast í hendur, sem bendir til einhverra tengsla þeirra á milli. Tilraunir Alfreds Hersheys (1908–1997) og Mörthu Chase (1927–2003) bentu sterklega til þess að erfðaefnið væri DNA, en enginn vissi byggingu þess. Margir virtir vísindamenn reyndu að smíða líkan sem gæti útskýrt byggingu og eiginleika DNA. Francis Crick (1916–2004) og James Watson tóku höndum saman upp úr 1950, og með nokkrar grunnreglur að vopni, frjótt ímyndunarafl og hliðsjón af myndum Rosalindu Franklin (1920–1958) tókst þeim að ráða gátuna. DNA er þráður, myndaður úr tveimur þáttum þar sem basarnir snúa inn í miðjuna og parast (A við T og G við C). Byggingin bæði verndar upplýsingarnar og býður einfalda leið til afritunar. Þættirnir eru aðskildir og hvor um sig notaður sem forskrift að nýjum þætti.

Ráðgátan um uppruna lífsins

Svör gleðja en óleystar ráðgátur eru enn meira spennandi. Seinni hluti bókarinnar fjallar um stærstu ráðgátu líffræðinnar, uppruna lífs. Önnur öndvegisbók Guðmundar, Leitin að uppruna lífs,[1] fjallar einnig um þetta efni. Í Ráðgátunni kafar hann ýtarlegar í vissa þætti. Fyrst ræðir hann rannsóknir Louis Pasteurs (1822–1895) og samtímamanna á ráðgátu þeirra aldar: Kviknar líf af sjálfu sér? Tilgáta sem Félix A. Pouchet (1800–1872) aðhylltist var sú að líf kviknaði auðveldlega, jafnvel yfir helgi í hræi. Tilgáta Pasteurs var að líf sprytti alltaf af lífi. Eins og oft í sögu vísindanna er auðvelt að vera vitur eftir á, en umfjöllun Guðmundar er nærgætin og maður á auðvelt með að skilja óvissuna sem vísindamenn þessa tíma stóðu frammi fyrir. Þegar tekist er á við stórar spurningar er ekki endilega ljóst hvað eru staðreyndir og hvað mislukkaðar tilraunir. Því er fólki sannarlega vorkunn að eiga bágt með að greina sannindi frá bulli, jafnt vísindamönnum sem leikmönnum. Ráðgátan um kviknun lífs var leyst með snilldarlegum tilraunum fyrstu örverufræðinganna. Líf getur líf, það kviknar ekki hér og þar af sjálfu sér. Rétt eins og Darwin komst að er það þó svo að ef líf sprettur af lífi og hægt er að rekja alla til forföður, þá hljóta allir forfeðurnir að eiga forfeður. Dýpst í aldanna rás á líf á jörðinni einn sameiginlegan forföður.

Um tilraunir til að finna uppruna þessa forföður er fjallað um í sjötta þætti, „Skref á leið til lífs“. Samofin er spurningin: Hvað er líf? Hvernig skilgreinum við líf og hvaða einkenni hafa lífverur? Lífverur geta af sér aðrar lífverur og þróast. Lífverur samanstanda af stórsameindum, kolefnisfjölliðum og öðrum grunneiningum. Sumar þessara eininga finnast í dauðri náttúru eða jafnvel á loftsteinum. En hvað leiddi til þess að í samsafni dauðra efna í vatnslausn kviknaði líf? Guðmundur rekur hugmyndir manna um þessa spurningu og tilraunir sem gerðar voru til að varpa ljósi á vandann. Erfðir og þróun einkenna allar lífverur og því telja sumir að uppruni eftirmyndunar sé uppruni lífs. Aðrir segja að lífverur þurfi orku, og því hljóti uppruninn að hafa verið í efnaskiptum. Enn aðrir benda á að líf sé rammað inn í frumur og álykta að fyrstu frumuhimnurnar hafi verið lykilinn að lífinu. Guðmundur útskýrir þessar hugmyndir ágætlega, en leggur einnig áherslu á að engin leið sé að vita hvað gerðist fyrst eða hver hafi verið röð viðburðanna. Sannarlega er hægt að ímynda sér mun lausbeislaðra líf en nú þekkist, þar sem efnaskipti í losaralegri frumefnasúpu hafi loks leitt til eftirmyndandi eininga. Jafnvel má hugsa sér að þetta hafi gerst í hverum þar sem voru  heppilegir steinar eða vikurmolar með hólf fyrir einskonar frum-frumur. Ein hressilegasta tilgátan er sú að í árdaga hafi lífið verið á RNA-formi. Samkvæmt henni voru lífverur ekki með DNA fyrir erfðaefni og prótín sem framkvæmendur, heldur sinnti RNA báðum hlutverkum. RNA er sannarlega stórbrotin sameind og kannski voru slíkar sjálfeftirmyndandi RNA-sameindir lykilskref á leið til lífs (eins og við þekkjum það). Framhaldið er betur þekkt. Við vitum að fram spruttu fjölmörg kerfi frumna sem stýra eftirmyndun, framleiðslu prótína, seytingu efna o.s.frv. Jafnvel uppruni heilkjarnalífvera er þó hulinn töluverðri óvissu, og nokkrar kenningar á lofti. Það er því skiljanlegt að okkur skorti vitneskju um fyrstu skref lífsins.

Í næstsíðasta hluta bókarinnar ræðir Guðmundur hugmyndina um líf utan úr geimnum. Viðurkennt er að lífið á jörðinni sé af einum meiði. En spratt lífið fram hér eða kom það annars staðar frá? Tilgátur af þessu tagi hafa aðdráttarafl, sem stafar að einhverju leyti af því hversu brjálæðislegar þær eru. Slíkum hugleiðingum fylgir sami kitlandi æsingurinn og þegar maður stendur á brún hengiflugs. Sumum finnst mjög ólíklegt að líf verði til úr dauðum sameindum, og því líklegra að lífið hafi borist hingað með loftsteinum eða geimryki. Líf af þessu tagi hlýtur að vera einfalt, líklega einhverskonar bakteríur. Vegna ómældra vídda geimsins þyrftu þær að vera á dvalarformi, í býsna langan tíma. Í þessu samhengi sprettur fram önnur spurning. Hversu miklar líkur eru á lífi á öðrum plánetum? Guðmundur segir:

Talið er að í Vetrarbrautinni séu nokkur þúsund milljarðar sólstjarna og nýlegar rannsóknir benda til þess að reikistjörnur sem ganga umhverfis þær séu síður en svo sjaldgæfar. Frá því um miðjan 10. áratug síðustu aldar til aprílmánaðar 2014 hefur stjörnufræðingum tekist að greina um 1800 reikistjörnur í 1105 sólkerfum sem öll eru tiltölulega nálægt jörðu. (134)

Og ályktar síðan:

Telja má víst að sólkerfi sambærileg við okkar hafi getað myndast nokkrum milljörðum ára fyrr. Það er því hugsanlegt að líf hafi náð að þróast í alheimi milljörðum ára á undan lífi jarðar. Hvort það hefur borist um óravíddir geimsins til jarðar er hins vegar spurning sem enn eru engin tök á að svara. (bls. 134–135)

Í síðasta kafla bókarinnar fjallar Guðmundur um nokkrar stórar spurningar, svo sem um meðvitund. Hann segir:

Maðurinn er ein af milljónum lífverutegunda sem byggja jörðina. Hann sver sig í ætt við annað líf jarðar en hann hefur sérstöðu. Hann er eftir því sem við best vitum gæddur meðvitund og hæfileikum til hugsunar í ríkara mæli en aðrar lífverur...

[E]n hvaðan kemur okkur meðvitundin? Hvert er eðli hennar og orsök? Flestir vísindamenn munu trúa því að meðvitundin eigi sér efnislega skýringu, að hún sé á einhvern hátt sprottin af eiginleikum taugakerfisins. Þetta jafngildir í raun trú á skýringarmátt þeirrar heimsmyndar sem vísindin hafa tileinkað sér síðan á dögum Galileos. Þó höfum við enn sem komið er alls enga efnislega skýringu á því hvernig við verðum meðvituð um umhverfi okkar eða hugsun. Hvernig getur hold og blóð eins og maðurinn orðið meðvitað um sjálft sig? Vissulega höfum við flókið taugakerfi en hvernig skapar það okkur meðvitund? Hvenær í þróunarsögunni kom meðvitund fyrst fram? Varla er hægt að efast um meðvitund dýra sem eru okkur hvað skyldust, en hvað með aðrar lífverur? Er meðvitund endilega tengd taugakerfinu? (158)

Á síðustu áratugum hafa taugalíffræðingar og sálfræðingar færst nær svörum við þessum spurningum. Í þessu samhengi má einnig spyrja hversu vel við skiljum eðli lífsins. Er til að mynda líklegt að nýjar uppgötvanir kollvarpi viðteknum hugmyndum um eðli lífsins? Guðmundur spyr og ræðir:

Er skilningur okkar á lífinu orðinn það traustur að við honum verði ekki hróflað svo um muni? Þeir eru til sem halda því fram að vísindaleg þekking og skilningur sé óðum að nálgast endimörk sín, en ættum við ekki að hinkra við enn um stund áður en við föllumst á það? Vísindin eru sköpunarferli þar sem ný sjónarhorn koma stöðugt fram og gera mönnum kleift að spyrja nýrra spurninga og fá svör við þeim. Höfum líka í huga að hinar merkustu uppgötvanir hafa hingað til gjarna verið gersamlega ófyrirsjáanlegar. (262)

Mér finnst sjálfum líklegast að meginstoðir líffræðinnar séu orðnar skýrar. Sannarlega eru tiltekin svið líffræðinnar traustari en önnur, sem geyma óleystar þrautir. Spyrja má hvar mestar líkur séu á umbyltingu. Er það til dæmis í erfðafræði, frumulíffræði eða atferlisfræði? Mig grunar að skipulagsstigin sem ólík svið líffræðinnar tilheyra hafi áhrif á líkurnar á byltingu. Erfðafræðin er mitt fag og í því eru undirstöðulögmálin á hreinu, svo sem bygging DNA og litninga, aðskilnaður samsætna, óháðar erfðir litninga og endurröðun. En áhrif genanna á frumur, þroskun, lífeðlisfræði og atferli eru mun verr skilgreind. Þótt mörg grundvallaratriði séu skilgreind í atferlisfræði þykir mér líklegra að þar verði uppstokkun en í erfðafræði. Ástæðan er alls ekki að atferlisfræðin sé á einhvern hátt óæðri, heldur er hún á hærra skipulagsstigi og því háð fleiri þáttum. Atferli þarf að lúta lögmálum eðlisfræði, efnafræði, erfðafræði, frumulíffræði, þroskunar og lífeðlisfræðilegra kerfa, auk sinna eigin lögmála og auðvitað þróunar. Lögmál erfða eru tjóðruð af lögmálum eðlisfræði, efnafræði og þróunar. Sannarlega væri forvitnilegt ef þessi hugmynd væri röng. Hvort heldur er hefur Guðmundur að öllum líkindum rétt fyrir sér, líffræðingar munu hafa ærinn starfa um ókomna framtíð.

Ráðgáta lífsins er skýr og skemmtileg bók. Þar eru kynnt forvitnileg fyrirbæri, sögð athyglisverð og auðug saga og spurt stórra spurninga. Sumum hefur verið svarað en aðrar bíða enn svars. Ef til vill eftir þínu framlagi, hugmynd eða tilraun. Ég hvet fólk til að lesa bókina og ræða efni hennar við sem flesta, jafnvel í fermingarveislum eða strætó. Ráðgátur lífsins eru blessun.

Arnar Pálsson, erfðafræðingur við Háskóla Íslands.

• [1] Guðmundur Eggertsson 2008. Leitin að uppruna lífs. Bjartur, Reykjavík. 198 bls.