MISTERIJ ŽIVOTA JOŠ NIJE OTKRIVEN: Proteini koji čine osnovu našeg života u osnovi su mrtve tvari

Pitanje o tome kako je nastao život na Zemlji jedno je od najvećih misterija znanosti. Iako ne postoji jednostavan odgovor, znanstvenici se slažu da su današnji složeni organizmi evoluirali iz jednostavnijih životnih oblika koji su postojali prije gotovo četiri milijarde godina.

Postoji nekoliko teorija. Jedna od najpopularnijih jest kemijska evolucija koja se temelji na činjenici da su jednostavne organske molekule, poput aminokiselina i nukleotida, pronađene u mnogim dijelovima svemira. Te se molekule mogu prirodno formirati u uvjetima koji su vladali na Zemlji prije više od 3,5 milijardi godina, uključujući atmosferu bez kisika i visoke temperature. Prema toj teoriji, jednostavne molekule mogle su se kombinirati u složenije strukture potrebne za život, poput proteina i DNK-a. Čini se da su takve reakcije mogle biti potaknute toplinskim izvorima poput vulkanskih erupcija ili udara meteorita.

Druga teorija govori o panspermiji, prema kojoj je život na Zemlju stigao s drugih planeta u obliku mikroorganizama. Ta je teorija potkrijepljena činjenicom da neke bakterijske spore mogu preživjeti svemirska putovanja.

Naše je tijelo sazdano od stanica. Svi naši mišići, organi, koža i kosa, naša krv i naše kosti. Trebali bismo ih smatrati “biološkim robotima”. One ništa ne žele niti išta osjećaju. Nikada nisu ni tužne ni sretne. One jednostavno jesu, upravo ovdje, upravo sada. Svjesne su koliko i kamen, stolac ili neutronska zvijezda. Stanice samo slijede svoje programiranje koje se razvijalo i mijenjalo milijardama godina, oblikovano prirodnom selekcijom. One su nemogući strojevi, a opet, postoje dok ih u potpunosti pokreću temeljne sile svemira. Najmanja jedinica života opstoji na tromeđi fizike, kemije i biologije.

Osnova svega

Zamislite da se nalazite u svojoj sobi i da ste je cijelu ispunili bilijunima zrnaca pijeska, milijardama zrna riže, stotinama tisuća bobica grožđa, tisućama jabuka i desetkom lubenica. Tako izgleda unutrašnjost vaših stanica. U toj predodžbi zrnca pijeska predstavljaju molekule vode. Ona daje konzistenciju mekog želea unutrašnjosti stanice te omogućuje drugim tvarima da se lako kreću.

Gotovo sve ostalo, riža i voće, predstavlja proteine. Ukupno ih ima nekoliko milijardi, više od 10.000 različitih vrsta, ovisno o funkciji stanice. U osnovi, naše su stanice “proteinski roboti”, kao što je zapravo sav život na Zemlji. Štoviše, svi čvrsti nemasni dijelovi našeg tijela većinom su sazdani od proteina, čak i kosti. Proteini su, dakle, mrtve tvari koje čine osnovu života. Naravno da to zvuči proturječno i gotovo nevjerojatno.

Stanice moraju učiniti mnoge veoma teške procese da bi ostale na životu: unositi hranu i izbacivati otpad, rasti i graditi strukture, izbjegavati opasnost, reagirati na podražaje, napraviti kopije samih sebe itd.

Sve to čine govoreći “jezikom života”. Riječi tog jezika jesu – proteini. Pa kako onda funkcionira taj jezik?

Sve počinje s aminokiselinama, sićušnim organskim molekulama. One su “abeceda jezika života”. Postoji 21 različita aminokiselina, što je broj slova u pismu latinskog jezika, koji je po njemu nazvan latinicom. Dakle, “aminokiselina a”, “aminokiselina b”, “aminokiselina c” itd. Ako spojimo oko 50 aminokiselina, one tvore protein, što je “riječ” u “jeziku života”. Ako pak spojimo mnoge od tih proteinskih riječi, dobit ćemo “rečenicu” koja se naziva “biološki put”.

Ilustrirajmo to. Recimo da stanica treba razgraditi šećer “jezikom života”. Trebat će joj aminokiseline za slova “r”, “a”, “z”, “g”, “r”, “a”, “d”, “i”, “t” i “i” da se formira proteinska riječ “razgraditi”. Zatim će se ta riječ kombinirati s drugim proteinskim riječima kako bi se formirala “rečenica” biološkog puta koja zapravo znači “razgraditi šećer”.

Tisuće koraka

U stvarnosti je taj jezik života toliko složen da nadilazi i samu maštu. Da biste dobro govorili neki ljudski jezik, morate poznavati oko 8000 riječi. Ali u jeziku života procjenjuje se da ih ima oko 20.000. I dok prosječna hrvatska riječ ima pet slova, ljudski proteini imaju prosječno 375 aminokiselina. Najduži protein ima ih više od 30.000.

Istodobno, stanice moraju izvršiti tisuće koraka u svakom trenutku. Ako ikada prestanu govoriti jezikom života, umrijet će. Pa kako onda bezumne stanice govore tako složenim jezikom? Moramo zaroniti još dublje.

Za prosječnu duljinu ljudskog staničnog proteina od 375 aminokiselina, stanica bi mogla proizvesti zapanjujućih 6,8 x 10⁴⁹⁵ mogućih proteina. Zamislite brojku s gotovo petsto nula! Za usporedbu, u cijelom vidljivom svemiru ima oko 10⁸⁰ atoma.

Većina tih mogućih proteina je beskorisna. Baš kao i kod ljudskog jezika, većina nasumičnih kombinacija slova nisu riječi, nego besmislice. Prema tome, da bismo pravilno govorili jezik života, moramo znati koje ga točno riječi čine.

To je posao naše deoksiribonukleinske kiseline (DNK) koja je dugačak niz uputa. Kada bismo raspetljali stanični DNK, on bi bio dugačak oko dva metra. Sav DNK našeg tijela spojen u jednu dugačku nit dosegnuo bi do Sunca i natrag više od 65 puta.

Otprilike 1 posto našeg DNK-a sastoji se od gena koji su u osnovi proteinski rječnici koji sadrže sve riječi jezika života kojim govore naše stanice. No geni su također i priručnici za izgradnju svih proteina koji su stanicama potrebni za funkcioniranje.

Ostatak našeg DNK-a vjerojatno nije beskoristan, već je u osnovi poput skupa pravila. To je poput “gramatike jezika života”. Taj skup pravila propisuje koje proteine treba izgraditi, u koje vrijeme, koliko ih je potrebno, koje proteinske riječi idu zajedno i zašto.

Očito, sva ta slova, riječi, rečenice, rječnik i gramatika samo su metafora za nešto mnogo složenije.

Da bi nežive tvari zajedno stvorile život, potrebna je jedna od temeljnih sila svemira – elektromagnetizam. Elementarne čestice koje čine atome, koji pak čine aminokiseline, imaju različite naboje koji se međusobno privlače ili odbijaju. Svaka od 21 aminokiseline ima pomalo različit naboj. Jedne su negativnije, druge pozitivnije.

Složen proces

Kada naše stanice izgrađuju proteine, one spajaju različite aminokiseline u lance, tj. duge nizove. Zbog različitih naboja upotrijebljenih aminokiselina, te se niti počinju presavijati same po sebi. Taj proces savijanja toliko je složen da još do kraja ne razumijemo kako točno funkcionira. Ukratko, jednodimenzionalna “žica” postaje 3D struktura. Prema tome, proteini su 3D dijelovi slagalice vrlo specifičnog oblika. U svijetu proteina oblik je sve. To je zato što njegov 3D oblik određuje koja su područja proteina nabijena na koji način, a to određuje kako može djelovati s drugim proteinima.

Svi ti različito nabijeni dijelovi slagalice mogu se spajati ili odbijati. Kada se spoje, njihov se naboj mijenja, što ih može natjerati da promijene svoj oblik. To ih onda čini novim proteinom, novim alatom koji može raditi nove stvari.

To je ono što proteine čini toliko nevjerojatno moćnima. S njima možete uglavnom sve! Mogu se spajati poput lego kockica za izgradnju složenih struktura. Mogu rastaviti tvari, a mogu i formirati složene mikrostrojeve koji koriste energiju za obavljanje posla. A što je možda najnevjerojatnije – mogu prenijeti informacije.

Recimo da je otrovna kemikalija ušla u našu stanicu. Možda postoji protein oblikovan da se uhvati za taj toksin. Ako taj protein pronađe toksin, on mijenja svoj oblik. S tim novim oblikom sada se može uklopiti u drugi protein koji ponovno mijenja svoj oblik. Taj novi protein aktivira mikrostroj koji se izravno veže na DNK kako bi naredio proizvodnju posebnog proteina koji djeluje kao protuotrov za toksin.

Ta kaskada interakcije jest spomenuti “biološki put”, “rečenica na jeziku života”. Dakle, bez ijedne aktivne misli, proteini su riješili problem i spasili život stanice. U stvarnosti se ti putovi mogu sastojati od desetaka do stotina koraka.

Veliko strahopoštovanje

Način na koji život funkcionira izaziva nevjerojatno strahopoštovanje. Umno složene interakcije između glupih i mrtvih proteina stvaraju manje glupe i manje mrtve stanice. Negdje u tom procesu nastaje život. No mi još zapravo i ne znamo što je život.

Razmotrimo još jednu analogiju. Mravi dijele temeljno svojstvo sa stanicama – glupi su. Jedan mrav samo će beskorisno teturati uokolo, ali ako okupimo mnogo mrava, oni će početi razmjenjivati informacije i činiti nevjerojatne stvari – graditi složene strukture, organizirati društvenu zajednicu, brinuti se za leglo i napadati neprijatelje. Iako su pojedinačno glupi, zajedno postaju nešto veće.

Taj se fenomen događa posvuda u prirodi, a naziva se emergencija. Možemo ga definirati kao “spontano pojavljivanje višeg stupnja od prethodnog”, tj. “kontinuitet”. U procesu emergencije složeniji uzorci, svojstva ili ponašanja nastaju iz jednostavnijih elemenata ili procesa.

Očito je da entiteti imaju svojstva i sposobnosti koje njihovi dijelovi nemaju. Tako funkcionira sve u našem tijelu. Naše su stanice “vrećice proteina vođene kemijom”. No zajedno ti proteini tvore živo biće koje može činiti mnoge sofisticirane stvari.

Stanice su bezumni roboti koji su gluplji čak i od mrava, no mnoge od njih, djelujući zajedno, tvore specijalizirana tkiva i sustave organa, od mišića koji pokreću kucanje srca do moždanih stanica koje pokreću naše razmišljanje.

Ako pokušamo sagledati nevjerojatne razmjere svemira, mjesto gdje je vječnost stvarnost, gotovo je nemoguće ne osjećati se malim. No ako pogledamo unutra, u ono što zapravo jesmo, otkrit ćemo neopisivu složenost, prekrasan “jezik života”.

I zaista, gotovo sve u svemiru otkriva skrivene slojeve složenosti, a mi danas napokon imamo znanje kojim sve to možemo razumjeti. Ili barem pokušati.