Kuvittele katsovasi mikroskoopilla pieniä palloja, jotka jakautuvat, kasvavat ja lisääntyvät – aivan kuten elävät solut. Mutta nämä rakenteet eivät koostu yhdestä biologisesta molekyylistä. Ei DNA-säiettä, ei proteiinia, ei yhtäkään elämän monimutkaisista rakennuspalikoista. Vain puhdasta kemiaa, joka kuitenkin matkii yhtä elämän perustavanlaatuisimmista salaisuuksista: itsensä lisääntymistä.
Harvardin yliopiston tutkijat ovat tehneet merkittävän läpimurron, joka voi mullistaa ymmärryksemme elämästä ja sen alkuperästä. He ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, että solumaiset rakenteet voivat muodostua ja replikoitua kokonaan ilman biologisia molekyylejä. Tutkimus, joka julkaistiin otsikolla ”Itse lisääntyminen autonomisena kasvu- ja uudelleenjärjestelyprosessina täysin abioottisissa, artificial and synthetic cells” arvostetussa Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä , kuvaa järjestelmän, joka kykenee lisääntymään itsestään puhtaan synteettisen kemian avulla.
Koe perustui eleganttiin kemialliseen reaktioon, jota kutsutaan polymeroinnin indusoimaksi itsejärjestäytymiseksi (PISA). Tutkijat käyttivät vain ei-biologisia aineita: vesiliukoista polymeeriä, hydrofobista ketjunsiirtomolekyyliä, monomeeriä ja valolla aktivoitavaa katalyyttiä. Näitä näennäisen yksinkertaisia ainesosia säteilytettiin vihreällä LED-valolla 90 minuutin ajan 33 °C:ssa suljetussa astiassa typpiatmosfäärissä.
Kun valo luo elämää
Se, mitä seuraavaksi tapahtui, rajoittui kemian taikaan. Vihreän valon laukaisemina molekyylirakennepalikat yhdistyivät muodostaen pitkiä ketjuja – kontrolloitu prosessi, joka tunnetaan nimellä RAFT-fotopolymerointi. Tuloksena olevilla molekyyleillä oli kaksi täysin erilaista ominaisuutta: toinen pää rakasti vettä, toinen hylki sitä. Nämä amfifiiliset rakenteet, kuten kemistit niitä kutsuvat, käyttäytyivät kuin pienet kaksinapaiset magneetit.
Tällaisten molekyylien luonne johtaa kiehtovaan itseorganisoitumisen ilmiöön. Kuten öljypisarat vedessä, vettä hylkivät osat etsivät toisiaan ja muodostivat spontaanisti pieniä, onttoja palloja – kemiallisia kuplia, jotka muistuttavat toiminnallisesti biologisia solukalvoja. Mutta se oli vasta alkua vieläkin ihmeellisempään tarinaan.
Itiöt ilman biologiaa
Keinotekoisesti luodut kuplat kehittivät kyvyn, jota aiemmin pidettiin elämän etuoikeutena: ne alkoivat lisääntyä. Kuten biologiset solut, ne vapauttivat pieniä polymeerin kaltaisia itiöitä, jotka puolestaan kehittyivät uusiksi vesikkeleiksi. Lisääntyminen ei noudattanut lineaarista kaavaa, vaan kiihtyi sukupolvelta toiselle – eksponentiaalinen kasvu, joka muistuttaa bakteerien tai muiden mikro-organismien solunjakautumista.
”Tämä prosessi jäljittelee elävien järjestelmien keskeisiä ominaisuuksia ja avaa uusia mahdollisuuksia kokonaisen elämänkaltaisten, mutta ei-biologisten järjestelmien kehittämiselle”, selittää Sai Krishna Katla Harvardin tutkimusryhmästä. Havainto oli mullistava: täysin synteettinen järjestelmä lisääntyi itsenäisesti ilman biologista apua.
Elämän alkuperän mysteeri
Tämän löydön merkitys ulottuu paljon laboratorioiden ulkopuolelle. Aiemmat yritykset luoda itseorganisoituvia järjestelmiä perustuivat enimmäkseen biokemiallisiin komponentteihin tai eivät osoittaneet todellista itsereplikaatiota. Tämä tutkimus kuvaa ensimmäistä kertaa autonomisen, biokemikaaleista vapaan järjestelmän, jolla on lisääntymisominaisuuksia.
Perustavanlaatuisten elämäntoimintojen toistaminen yksinkertaisen kemian avulla voisi antaa ratkaisevia vihjeitä elämän alkuperästä. On mahdollista, että ensimmäiset elämänmuodot eivät alkaneet monimutkaisista molekyyleistä, kuten DNA:sta tai proteiineista, vaan paljon yksinkertaisemmista kemiallisista järjestelmistä, jotka kykenivät organisoitumaan ja lisääntymään. Tämä hypoteesi ratkaisisi biologian kuuluisan kana-muna-ongelman: kumpi tuli ensin – informaatio vai rakenne?
Katsaus synteettiseen tulevaisuuteen
Löydökset avaavat kiehtovia näkökulmia materiaalitieteelle ja bioteknologialle. Synteettisillä materiaaleilla, jotka voivat itseorganisoitua, korjata ja kehittyä, voisi olla mullistavia sovelluksia – itsekorjautuvista materiaaleista ympäristön muutoksiin reagoiviin adaptiivisiin järjestelmiin.
Ehkä olemme uuden aikakauden alussa, jossa elävän ja elottoman raja hämärtyy. Harvardin tutkijat ovat osoittaneet, että elämä ei välttämättä vaadi biologiaa – joskus pelkkä kemia, hieman valoa ja oikeat olosuhteet riittävät elämän salaisuuksien paljastamiseen.