Miksi tämä elämä on nyt juuri tällaista – voisiko olla toisenlaista?
Miten elottomat aineet – hiili, vety, happi, typpi, fosfori ja rikki – ja vähäisessä määrin jotkut muut alkuaineet – ovat onnistuneet reagoimaan keskenään niin että niistä on syntynyt elämää? Elämä kohti rakentuvien molekyylien on pitänyt käydä läpi monia kiperiä vaiheita. Monia niistä vaiheista voidaan jotenkin mallintaa – mutta vielä toistaiseksi eri tutkijat ehdottelevat kuhunkin vaiheeseen aika erilaisia ja keskenään ristiriitaisia malleja. Syntyprosessin etenemisen todellisia reittejä ei ole pystytty todentamaan, tiedetään vain että tällainen elämä siitä sitten lopulta tuli. Valmiin elämän olemus kuitenkin tunnetaan jo hyvinkin tarkkaan – ja perusolemukseltaan se on sitä yhtä ja samaa, samanlaista elämää.
Kaikki elämä koostuu noista alussa mainituista alkuaineista – niistä muodostuu samanlaisia rakenne-molekyylejä (nukleotideja, aminohappoja, lipidejä, sokereita) ja näistä rakentuu varsin samantyyppinen solukoneisto. Kaikissa lajeissa elämää ohjaa geneettinen informaatio – vaikka sen sisältö vaihtelee lajista toiseen, niin sen rakenne ja käyttöjärjestelmä on sama: DNA ja RNA koostuvat kumpikin neljästä erilaisesta, keskenään pariutuvasta nukleotidista – tai kahdesta erilaisesta nukleotidiparista: DNAssa parit ovat A-T ja G-C – RNAn nukleotidit ovat hyvin samantapaisia kuin DNA:ssa (siksi informaatio voi kopioitua toisesta toiseen) – mutta niissä T-nukleotidin sijalla käytetään U-nukleotidia. Proteiinit taas rakentuvat yhteensä kahdestakymmenestä erilaisesta aminohaposta.
Mutta miksi elämä on juuri tällaista – onko sen pakko olla tällaista – vai voisiko se olla myös toisenlaista? Miksi käytössä on juuri nuo mainitut nukleotidit, juuri ne neljä erilaista DNAssa ja RNAssa? Ja miksi proteiineissa on käytössä juuri nuo tietyt kaksikymmentä erilaista aminohappoa? Elämän piti syntyä spontaanisti valmiina olemassa olevista rakennuspalikoista, jossakin sopivissa olosuhteissa – mutta ne samat olosuhteet jotka tuottivat juuri tämän elämän rakennuspalikoita, mitä todennäköisimmin tuottivat myös monia muita hyvin samantapaisia molekyylejä. Itseasiassa, suotuisat elottomat ympäristöt – esim. avaruudessa – tuottavat orgaanisten molekyylien kirjon joka on valtavasti suurempi kuin mitä elämä koskaan tuottaa. Miksi siis elämän käyttöön valikoitui juuri tuo hyvin tunnettu PIENI valikoima rakennuspalikoita. Selvää vastausta tähän kysymykseen ei tiedetä.
Asiaa on viime vuosina kokeellisesti tutkittu. Useat tutkimusryhmät ovat jo näyttäneet että solujen koodi-repertuarissa voidaan ottaa käyttöön koodeja uusille aminohapoille: soluun viedään geeni joka koodaa sitä vastaavaa (muunnettua) tRNAta, sekä uusi (muunnettu) geeni koodaamaan asylaasientsyymia, joka liittää ko. aminohapon ja tRNAn toisiinsa. Uusi aminohappo voidaan joka syöttää solun sisään ulkopuolelta, tai soluun voidaan rakentaa myös uusi synteesireitti ko. aminohapolle – ja voilaa, muunnettu organismi pystyy liittämään tätä vierasta aminohappoa osaksi proteiinirakenteitaan (ks. http://schultz.scripps.edu/research.php)
Synteettisesti voidaan DNA-rihmojen sisään ujuttaa myös ”vääriä” eli synteettisä nukleotideja. Useita erilaisia emäspareja on jo testattu – ja havaittu että ne pystyvät toimimaan kaksoiskierteen rakennuspalikoina luonnollisten emäsparien seassa. Tähän asti näitä rakennuspalikoita on testailtu vain koeputkessa – in vitro – mutta toukokuun alkupuolella julkistettiin tutkimus, jossa tuollaisia keinotekoisia nukleotideja oli onnistuttu viemään E.coli solujen sisälle (Malyshev et al. 2014, May 15, Nature 509, 385-3889). Siellä ne onnistuneesti lliittyivät kopioituvaan DNAhan – ja solut elivät ja jakaantuivat iloisesti eteenpäin niinkuin mitään kummallista ei olisi tapahtunut. Mediassa tämä kuitenkin aiheutta merkittävän kohun: Olihan tämä ensimmäinen kerta kun elävässä solussa toimivaa geneettistä informaatiota on onnistuttu rakentamaan synteettisistä komponenteista.
Tämä tutkimuksen viimeisen vaiheen haasteellisuus – eli näiden synteettisten nukleotidien vieminen sisälle E. coli soluun – kuvastaa sitä miten pitkällisen muuntelutyön takana tuollaisen uudenlaisen geneettisen koneiston rakentaminen on. Tässä tapauksessa kyseiset nukleotidt onnistuttiin viemään solujen sisälle ulkopuolelta – mutta tietenkin se pysyvämpi tapa rakentaa uusia geneettisiä komponettteja on että solun pitäisi tuottaa ne itse sisällään. Tähän tarvittaisiin kokonaiset biosynteesireitit – uudet geenit uusille entsyymeille – eikä ihminen vielä osaa kirjoittaa sekvenssejä jotka koodaisivat kokonaisia toimivia proteiineja. Jotta nukleotideista rakentuisi toimivaa koodaavaa sekvenssiä niin niille pitää tuottaa myös RNA-juosteissa toimivat vastinnukleotidit. Yhden uuden emäsparin lisäämisen jälkeen sekvenssissä olisi olemassa kuusi erilaista nukleotidia – eli se pystyisi koodaamaan 63 (=216) erilaista kolmikkokoodia – eri valtavan paljon enemmän aminohappoja kuin ne kaksikymmentä mitä nyt on käytössä. Nykyinenkin koodi tuottaa yhteensä 64 erilaista kolmikkoa – mutta käyttää vain kahtakymmentä aminohappoa – siispä millään elollosiella muodolla (ei edes bioinsinööreillä) ei varmasti olisi tarpeellista käyttää koko tuota repertuaaria — erityisesti kun jokaisen uuden aminohapon käyttöönottoon tarvitaan taas uudet kompnentit (tRNA, aminoasylaasientsyymi, aminopahon biosynteesi- ja hajotusreitit).
Mutta, periaatteessa – elämä siis VOI olla toisenlaista – ja täällä maan päällä elämä VOI kehittyä toisenlaiseksi, ainakin bioteknillisissä sovellutuksissa. Ainakin HIUKAN toisenlasaiseksi — . Tämä on nyt oikeasti sitä synteettistä elämää – uusista palikoista rakennettavaa solujen sisällä toimivaa elämää. Nämä ensimmäiset saavutukset ovat vielä vain sen osoittamista että tämä on periaatteessa mahdollista (proof of concept) – mutta jatkossa, kun menetelmät kehittyvät, uusia sovellutuksia voi löytyä loputtomasti: lääkkeitä, solutoimintojen muokkaamista – oikeaa synteettistä ja suunniteltua biologiaa. Mutta erityisesti: tämän reitin kautta varmaan löydetään vastauksia myös kysymykseen: MIKSI ELÄMÄ ON (OLLUT) TÄLLAISTA.