Forskere skaber muligt forstadie til liv
Hvordan opstod livet? Og kan forskere skabe nyt liv? Disse spørgsmål optager ikke alene grundforskere, men også forskere, der arbejder med fremtidens teknologi. Hvis vi kan skabe kunstige levende systemer, kan vi ikke alene forstå livets oprindelse - vi kan også revolutionere fremtidens teknologi.
Protoceller er de simpleste, mest primitive levende systemer, man kan forestille sig. Den ældste forfader til livet på Jorden var en protocelle, og når man ser på, hvad den med tiden udviklede sig til, forstår man forskernes fascination af protoceller. Hvis man kan skabe en kunstig protocelle, har man en helt basal grund-ingrediens til at skabe mere avanceret kunstigt liv.
Men at skabe en kunstig protocelle er langt fra enkelt, og ingen har formået det endnu. Udfordringen er bl.a. at skabe de informationsstrenge, som kan nedarves, og som alle celler, inkl. protoceller, skal indeholde. Disse informationsstrenge minder om moderne DNA eller RNA, og de er med til at styre cellens stofskifte og hvordan en celle skal dele sig. Hvis en af dattercellerne efter delingen har en lidt forandret information, som f.eks. giver et lidt hurtigere stofskifte, kan den være mere egnede til at overleve. Derved bliver de selekteret og en evolution er i gang.
Essentielt fund
Nu beskriver forskere fra Center for Fundamental Living Technology (FLINT), Institut for Fysik, Kemi og Farmaci, Syddansk Universitet, i tidsskriftet Europhysics Letters, hvordan de i et virtuelt computereksperiment har fundet informationsstrenge med særlige egenskaber.
Professor og leder af FLINT, Steen Rasmussen, siger:
”At finde mekanismer, der kan skabe disse informationsstrenge er helt essentielt for forskere, der arbejder med kunstigt liv”.
Steen Rasmussen og hans kolleger ved fra deres laboratorie-eksperimenter, at de er konfronteret med to problemer mht. informationsstrenge. For det første nedbrydes lange molekylestrenge hurtigt i vand. Dvs. at en lang molekylestreng ”knækker” hurtigt i vand og bliver til flere korte molekylestrenge. Dette betyder, at det er meget svært at opretholde en population af lange strenge over længere tid. For det andet er det vanskeligt at få en egentlig replikation af disse molekyler til at foregå uden brug af moderne enzymer, hvorimod det ikke er så svært at få en såkaldt ligering til at foregå, dvs. en samling af to kortere strenge koordineret, eller katalyseret, af en tredje streng. Derfor benytter de ligering som mekanisme.
”I vores computersimulering, som er vores virtuelle molekyle-laboratorium, begyndte informationsstrengene som forventet at kopiere sig selv hurtigt og effektivt. Det var imidlertid overraskende for os at se, at der pludselig var lige mange korte og lange informationsstrenge, og at der var selekteret for nogle ganske bestemte informationsmønstre på strengene. Vi tænkte: Hvordan i alverden kunne det lade sig gøre, at en sådan koordineret selektion af strenge opstår? Vi var klar over, at vi ikke havde programmeret selektionen ind i vores simulering. Forklaringen måtte altså findes i måde, strengene vekselvirker med hinanden”, forklarer Steen Rasmussen.
Det er ligesom et samfund
Iflg. Steen Rasmussen er der opstået et såkaldt selvorganiserende autokatalytisk netværk i den virtuelle gryde, som han og hans kolleger hældte ingredienserne til informationsstrengene ned i.
Et autokatalytisk netværk er et netværk af molekyler, som indbyrdes katalyserer (afhjælper) hinandens produktion. Hvert enkelt molekyle kan dannes ved mindst én kemisk reaktion i netværket, og hver reaktion vil blive katalyseret af mindst ét andet molekyle i netværket. Processen vil føre til, at det samlede netværk samtidig udviser en primitiv form for metabolisme og informationssystem, som kopierer sig selv fra generation til generation.
I dette tilfælde undergår netværket desuden en hurtig evolution frem til en tilstand, som dels er karakteriseret af nogle bestemte mønstre på informationsstrengene, og dels er karakteriseret af lige mange strenge af alle længder.
”Et autokatalytisk netværk fungerer ligesom et samfund; hvert enkelt molekyle er som en samfundsborger, der ved at interagere med andre borgere hjælper hinanden og derved skaber et fungerende samfund”, forklarer Steen Rasmussen.
”Dette er en mulig delproces i livets opståen. Om det var sådan, at Jordens liv opstod, ved vi ikke – men det kunne det have været. Måske var det lignende processer, der skabte tilstrækkeligt høje koncentrationer af længere informationsstrenge i forbindelse med dannelsen af den første protocelle”, forklarer Steen Rasmussen.
Kan blive basis for fremtidens teknologi
Mekanismerne, der ligger bag dannelsen og udvælgelsen af effektive informationsstrenge, er ikke kun interessant for de forskere, der arbejder med at skabe protoceller. De har også værdi for de forskere, der arbejder med fremtidens teknologi, som man bl.a. gør på FLINT Centeret.
”Vi undersøger muligheder for at basere teknologi på levende og liv-lignende processer. Hvis det lykkes, får vi en verden hvor teknologien f.eks. kan reparere sig selv, udvikle nye egenskaber og genbruges. Teknologiske redskaber laves i dag af materialer, der ikke direkte kan indgå i de naturlige kredsløb. En computer, der er lavet af f.eks. biologiske materialer, stiller nogle helt andre – og mindre belastende – krav til produktion og bortskafning”, siger Steen Rasmussen.
Ref: http://epljournal.edpsciences.org/articles/epl/abs/2014/14/epl16388/epl16388.html
Kontakt Professor og centerleder Steen Rasmussen Institut for Fysik, Kemi og Farmaci. Email: steen@sdu.dk. Mobil: +45 60112507.