Levinthalin paradoksi ja elämän synnyn ongelma

Protein Science-tiedelehdessä julkaistu tutkimus selvittää sitä miksi elämä on niin paljon epätodennäköisempää kuin ei-elämä. Tähän ongelmaan liittyy läheisesti Levinthalin paradoksina tunnettu ajatuskoe.

C. elegans sukkulamadon  'kytkentäkaavio' eli interaktomi. (the-scientist.com)

Proteiinien laskostumisongelmaan perehtyneet tuntevat myös Levinthalin paradoksin, jonka molekyylibiologi Cyrus Levinthal formuloi vuonna 1969. Levinthalin paradoksin klassisen version mukaan tyypillisellä proteiinin muodostavalla aminohappoketjulla on niin monta erilaista mahdollista laskostumistapaa, että satunnaishaulla ei valmiiksi laskostuneen proteiinin avaruusrakennetta löydettäisi, vaikka hakuun käytettäisiin maailmankaikkeuden iän pituinen aika. Tästä Levinthal päätteli, että proteiinit eivät laskostu satunnaisesti vaan noudattavat tiettyä laskostumispolkua. Haasteena on löytää nämä proteiinien laskostumista ohjaavat polut.

Ongelma vaikeutuu kertaluokkaisesti, mikäli tarkastelun kohteeksi otetaan elävä solu. Solu koostuu useista erilaisista  proteiineista, nukleiinihapoista, lipideistä, entsyymeistä ja metalli-ioneista. Tutkimusraportissaan Peter Tompa ja George Rose muotoilivat paradoksista uuden version: mikä on elävän solun muodostavan kokonaisuuden mahdollisten interaktomien (erilaisten kytkentätilojen) lukumäärä.

Tompa ja Rose kuvaavat ongelmaa seuraavasti:

"Toisin kuin proteiinien laskostuminen, solun interaktomin itseorganisaatio ei ole saanut osakseen samanlaista mielenkiintoa hyvin ymmärrettävistä syistä. Se on järkyttävän monimutkainen ongelma...  Mistä voisi edes aloittaa? Päämäärämme on osoittaa, että solun interaktomien kokoonpano on analoginen proteiinin laskostumiselle, koska toimiva kokoonpano valitaan valtavasta määrästä hyödyttömiä tai suorastaan haitallisia vaihtoehtoja."

Ongelmasta saa käsityksen kuvan 1 perusteella.

Kuva 1. Solun mahdollisten interaktomien lukumäärä kasvaa paljon nopeammin kuin käytettävissä olevien rakenne-elementtien..

Kun elementtien (proteiinien, kuvassa värilliset neliöt) lukumäärä kasvaa, niin myös mahdollisten erilaisten tilojen eli interaktomien määrä kasvaa, mutta paljon nopeammin. Neljällä proteiinilla on kolme mahdollista parittaista kytkentää. Viidellä proteiinilla niitä on 11 ja  kymmenellä proteiinilla 945 (kts. taulukko )

Taulukko 1. Kun elementtien lukumäärä lähestyy solussa olevien elementtien lukumäärää, niin mahdollisten kytkentätilojen lukumäärä kasvaa suorastaan tajunnan räjäyttäviin lukemiin. Niinpä elämää tuottavien kytkentätilojen lukumäärä on valtavan paljon pienempi kuin kaikkien mahdollisten kytkentätilojen lukumäärä eli kaaosvyöhyke ("the zone of chaos"), kuten Tompa ja Rose sitä nimittävät.

Tompa ja Rose käyttivät hiivaa malliorganisminaan ja laskivat sille mahdollisten kytkentätilojen eli interaktomien lukumäärän. Hiivassa on n. 4500 proteiinia, jonka perusteella interaktomien lukumääräksi saadaan suuruusluokkaa 10^7200 oleva luku, joka on käsittämättömän suuri luku. (Vertailukohdaksi voi ottaa tunnetun maailmankaikkeuden atomien lukumäärän, joka on vain n. 10^80). "Mutta realistisemmat arviot ovat vielä paljon suurempia," Tompa ja Rose toteavat. Proteiineissa on useita kohtia, joilla ne voivat olla kemiallisessa vuorovaikutuksessa. "Kaikkiaan keskiveroproteiinissa on n. 3450 erilaista vuorovaikutuskohtaa," Tompa toteaa, "ja mikäli ne huomioidaan interaktomien laskennassa, saadaan luku joka on 10 potenssiin 7,9x 10^10." Laskujensa perusteella Tompa ja Rose päättelevät, että mitä suuremmasta biologisesta kokonaisuudesta on kyse, sitä pahemmaksi Levinthalin paradoksi tulee.

Tompan ja Rosen mukaan toimivan interaktomin muodostuminen yrityksen ja erehdyksen kautta ei ole mahdollista käytettävissä olevan ajan puitteissa. "Tämä laskuharjoitus on todiste siitä, että elävä solu ei synny elementtiensä satunnaisten törmäilyjen tuloksena."

Tompa ja Rose tekevät vielä paljon perustavampaa laatua olevan johtopäätöksen ("the most profound conclusion") koskien elämän alkuperää. Proteiineja ja nukleiinihappoja sisältävässä "alkukeitossa" ei koskaan syntyisi toimivaa solua, vaikka mukana olisi lipidikalvoja auttamassa materian organisoimisessa.
Toimivan solun sisältö siirtyy palautumattomasti elämän kemiasta kohti ei-elämän kemiaa, mikäli solukalvo hajoaa. Kehityksen suunta on tällöin kohti tilaa, jota Tompa ja Rose kutsuvat "kaaosvyöhykkeeksi", eikä paluuta ole.

"Laskelmamme yhdistyneestä monimutkaisuudesta osoittavat, että emergentti interaktomi (solu) ei ole voinut syntyä spontaanin itseorganisaation kautta proteiinielementeistään. Sensijaan se saavuttaa toimivan tilansa kopioimalla interaktomin emosolusta, minkä jälkeen se ylläpitää tätä tilaa energian avulla. On paljon todennäköisempää, että ilman toimivaa mallia soluelementit yhdistyvät elämälle sopimattomalla tavalla... Solun spontaania syntyä ei vielä ole havaittu. Kaikki olemassa olevat solut ovat syntyneet emosolun jakaantumisessa, joka on antanut mallin interaktomille."

Tämähän on todella mielenkiintoista. Tieteellinen julkaisu, jossa elämän/solun syntyä sattumalta pidetään mahdottomana! Tähän asti tällaisia väitteitä ovat esittäneet vain kreationistit, mikäli Esko Valtaojaa on uskominen. Jokohan ideologista valtaa pitävien tiedeleirissäkin osataan pian ottaa kalkulaattori käteen ja todeta, että "pojat, pojat... tehän olette sittenkin oikeassa!"

Karvakuono kiittää Peter Tompaa ja George Rosea selventävästä lisäinformaatiosta. Tieteen rakkikoira thanks Peter Tompa and George Rose for helpful information.


Lähde:

http://www.evolutionnews.org/2012/10/a_revolutionary065521.html