Maszyny molekularne, część 1Czas czytania: 15 min

Jeszcze długo przed powstaniem współczesnej technologii studenci biologii porównywali układy ożywione do maszyn¹. W minionych kilkudziesięciu latach to porównanie stało się mocniejsze niż kiedykolwiek. W artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Nature Reviews Molecular Cell Biology” stwierdzono: „Współcześnie biologia ujawnia znaczenie »maszyn molekularnych« i innych wysoce zorganizowanych struktur molekularnych przeprowadzających złożone procesy fizykochemiczne, od których zależy życie”². W artykule, który ukazał się w czasopiśmie „Nature Methods”, również zauważono, że „większość funkcji komórkowych jest pełniona przez kompleksy białek przypominające w działaniu maszyny molekularne”³.

Czym są maszyny molekularne?

Zgodnie z artykułem opublikowanym w czasopiśmie „Accounts of Chemical Research” maszyna molekularna to „układ części, który przekazuje siłę, ruch lub energię od jednej części do drugiej w z góry określony sposób”⁴. W artykule opublikowanym w 2004 roku na łamach czasopisma „Annual Review of Biomedical Engineering” stwierdzono, że „te maszyny są na ogół wydajniejsze od ich odpowiedników w makroskali”, oraz że „w przyrodzie istnieje niezliczona liczba takich maszyn”⁵. W gruncie rzeczy w ramach jednego projektu badawczego zrealizowanego w 2006 roku doniesiono o odkryciu ponad 250 nowych maszyn molekularnych u samych drożdży!⁶

Maszyny molekularne stanowią ogromne wyzwanie dla tych, którzy chcieliby wyjaśnić je w kategoriach darwinowskich jako wytwory niekierowanego procesu. W opublikowanej w 1996 roku książce Czarna skrzynka Darwina. Biochemiczne wyzwanie dla ewolucjonizmu⁷ biochemik Michael J. Behe opisał zaskakujące odkrycie, że podstawę życia stanowią maszyny:

Krótko po roku 1950 nauka rozwinęła się na tyle, że naukowcy potrafili określić kształty i właściwości kilku cząsteczek, z których składają się organizmy żywe. Stopniowo i skrupulatnie poznawano coraz więcej struktur cząsteczek biologicznych, a dzięki niezliczonym eksperymentom zrozumiano sposób ich działania. Skumulowane wyniki badań jasno wskazują, że podstawą życia są maszyny – maszyny zbudowane z cząsteczek! Maszyny molekularne holują ładunek z jednego miejsca w komórce do innego wzdłuż „autostrad” utworzonych z innych cząsteczek, a pozostałe cząsteczki pełnią funkcję kabli, lin i bloków umożliwiających zachowanie kształtu komórki. Maszyny włączają i wyłączają komórkowe przełączniki, niekiedy zabijając komórkę lub wywołując jej wzrost. Maszyny zasilane promieniami słonecznymi przechwytują energię fotonów i przechowują ją w związkach chemicznych. Maszyny elektryczne umożliwiają przepływ prądu w nerwach. Maszyny produkcyjne budują inne maszyny molekularne, a także same siebie. Za pomocą maszyn komórki pływają, kopiują się i trawią pokarm. Krótko mówiąc, bardzo wyrafinowane maszyny molekularne kontrolują przebieg każdego procesu komórkowego. Szczegóły życia są więc precyzyjnie dostrojone, a maszyneria życia – ogromnie złożona⁸.

Następnie Behe postawił następujące pytanie: „Czy darwinowska teoria ewolucji potrafi wyjaśnić wszystkie aspekty życia?”⁹, na które odpowiedział: „Złożoność fundamentu życia sparaliżowała podejmowane przez naukowców próby jego wyjaśnienia. Jak dotąd, maszyny molekularne wzniosły nieprzekraczalną przeszkodę dla uniwersalnego zasięgu darwinizmu”¹⁰.

Nawet ci, którzy nie zgadzają się z odpowiedzią Behego na to pytanie, są pełni podziwu dla złożoności maszyn molekularnych. W 1998 roku ówczesny przewodniczący amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk Bruce Alberts napisał artykuł wprowadzający do pewnego numeru czasopisma „Cell”, jednego z najlepszych periodyków biologicznych, w którym zachwycał się maszynami molekularnymi. Alberts wychwalał „prędkość”, „elegancję”, „wyrafinowanie” oraz „wysoce zorganizowaną aktywność” tych „niezwykłych” i „wspaniałych” struktur wewnątrz komórki. Wyjaśnił też, co skłoniło go do użycia takich słów:

W istocie całą komórkę można postrzegać jako fabrykę, która jest wyposażona w skomplikowaną sieć połączonych ze sobą linii montażowych, a każda z nich składa się z zespołu dużych maszyn białkowych. […] Dlaczego duże zespoły białek, które stanowią podstawę funkcjonowania komórek, nazywamy maszynami białkowymi? Dokładnie z tego powodu, że tak jak maszyny wynalezione przez człowieka, aby skutecznie radził sobie w świecie makroskopowym, te zespoły białek zawierają wysoce skoordynowane ruchome części¹¹.

W 2000 roku również Marco Piccolino napisał na łamach czasopisma „Nature Reviews Molecular Cell Biology”, że „niezwykłe maszyny biologiczne spełniają marzenie siedemnastowiecznych naukowców […], że »ostatecznie odkryjemy maszyny nie tylko nam nieznane, ale też dla nas niewyobrażalne«”. Zauważa on, że współczesne maszyny biologiczne „przerastają oczekiwania wczesnych badaczy życia”¹².

Kilka lat później w artykule przeglądowym opublikowanym w czasopiśmie „Biological Chemistry” pokazano, z jakim problemem mają do czynienia biologowie ewolucyjni, gdy usiłują zrozumieć maszyny molekularne. Zasadniczo muszą oni przeczyć własnym naukowym intuicjom, zmagając się z faktem, że struktury biologiczne wydają się wytworami inżynierii realizowanej zgodnie z planem:

Chociaż często może się tak wydawać, to maszyny molekularne nie są tworzone zgodnie z jakimś planem. Mimo to biochemicy i biologowie molekularni (oraz wielu naukowców z innych dyscyplin) zwykle myślą jak inżynierowie, a ściślej jak specjaliści w zakresie inżynierii odwrotnej. Nie ma jednak żadnych planów. […] „Nic w biologii nie ma sensu, jeżeli nie jest rozpatrywane w świetle teorii ewolucji”: wiemy, że Theodosius Dobzhansky musi mieć rację¹³. Tymczasem nasz umysł, mimo że jest wytworem [ewolucyjnego] majsterkowania, w osobliwy sposób skłania nas, abyśmy myśleli jak inżynierowie¹⁴.

Czy jednak maszyny molekularne mają sens w świetle teorii niekierowanej ewolucji darwinowskiej? Czy przeczenie faktowi, że maszyny wykazują wszelkie oznaki zaprojektowania, jest sensowne? Michael Behe argumentuje, że w istocie maszyny molekularne spełniają kryterium Karola Darwina dotyczące falsyfikacji jego teorii i wskazują na inteligentny projekt:

Darwin wiedział, że jego teoria stopniowej ewolucji drogą doboru naturalnego niesie ciężkie brzemię: „Jeśliby można było wykazać, że istnieje jakikolwiek narząd złożony, który nie mógłby być utworzony na drodze licznych, następujących po sobie, drobnych przekształceń – teoria moja musiałaby absolutnie upaść”¹⁵.

Jaki rodzaj układu biologicznego nie mógłby powstać drogą „licznych, następujących po sobie, drobnych przekształceń”? Cóż, mógłby być to układ, który jest nieredukowalnie złożony. Za nieredukowalnie złożony uznaję pojedynczy system składający się z poszczególnych, dobrze dopasowanych, oddziałujących ze sobą części, które biorą udział w pełnieniu podstawowej funkcji układu, a usunięcie jakiejkolwiek z tych części powoduje, że system przestaje sprawnie funkcjonować¹⁶.

Maszyny molekularne są bardzo złożone i w wielu przypadkach dopiero zaczynamy rozumieć ich działanie. W związku z tym, mimo iż wiemy, że istnieją liczne złożone maszyny molekularne, do tej pory tylko nieliczne z nich zostały dostatecznie zbadane przez biologów, by dało się bezpośrednio sprawdzić twierdzenie o ich nieredukowalnej złożoności za pomocą eksperymentów polegających na wyciszaniu genów lub testowaniu wrażliwości na mutacje. Poniżej zamieszczono niewyczerpujący wykaz i krótkie opisy 40 maszyn molekularnych zidentyfikowanych w literaturze naukowej. Pierwsza część wykazu dotyczy maszyn molekularnych, które zgodnie z argumentacją naukowców są nieredukowalnie złożone. Druga część wykazu zawiera omówienie maszyn molekularnych, które mogą być nieredukowalnie złożone, ale biochemicy jeszcze nie zbadali ich dostatecznie szczegółowo, by argument o ich nieredukowalnej złożoności był rozstrzygający.

Wykaz wybranych maszyn molekularnych

I. MASZYNY MOLEKULARNE, KTÓRE ZGODNIE Z ARGUMENTACJĄ NAUKOWCÓW SĄ NIEREDUKOWALNIE ZŁOŻONE

1. WIĆ BAKTERYJNA

Wić to występujący u bakterii silnik obrotowy, który wywołuje obroty śruby – w dużej mierze przypominając pod tym względem silnik zaburtowy – a jego ruch obrotowy zasilany jest przez przepływ jonów. Potrafi wykonywać do 100 000 obrotów na minutę¹⁷. W artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Trends in Microbiology” wić uznano za „wybornie skonstruowaną nanomaszynę chemiosmotyczną. Jest to najpotężniejszy silnik obrotowy w przyrodzie, który wykorzystuje transbłonową siłę ruchu jonów do napędzania filamentowej śruby”¹⁸. Ze względu na jej przypominającą silnik strukturę i wewnętrzne części jeden z biologów molekularnych napisał w czasopiśmie „Cell”, że „Wić bakteryjna w większym stopniu niż inne silniki przypomina maszynę zaprojektowaną przez człowieka”¹⁹. W ramach eksperymentów polegających na wyciszaniu genów wykazano, że wić bakterii Escherichia coli jest nieredukowalnie złożona w odniesieniu do blisko 35 jej genów²⁰. Pomimo faktu, że jest to jedna z najlepiej zbadanych maszyn molekularnych, w opublikowanym w 2006 roku na łamach czasopisma „Nature Reviews Microbiology” artykule przeglądowym przyznano, że „Badacze wici właściwie nawet jeszcze nie zaczęli zastanawiać się nad tym, jak te układy wyewoluowały”²¹.

2. RZĘSKA EUKARIOTYCZNA

Rzęska to przypominająca włos lub bat struktura, której podstawą jest system mikrotubul zwykle składający się z dziewięciu par zewnętrznych mikrotubul i dwóch wewnętrznych mikrotubul. Mikrotubule są ze sobą powiązane połączeniami neksynowymi, a ich ruch wiosłujący jest wywoływany przez ramiona dyneinowe²². Te maszyny pełnią u eukariontów wiele funkcji, na przykład umożliwiają plemnikom pływanie albo usuwają obce cząstki z gardła. Michael Behe zauważył, że funkcja „wiosłowania” u rzęski nie będzie pełniona, jeśli rzęsce zabraknie którejś z mikrotubul, któregokolwiek połączenia neksynowego albo dostatecznej liczby ramion dyneinowych, a w związku z tym rzęska jest nieredukowalnie złożona²³.

3. SYNTETAZY AMINOACYLO-TRNA (AARS)

Enzymy aaRS odpowiadają za przyłączanie właściwych aminokwasów do tRNA, tak aby aminokwasy mogły w należyty sposób uczestniczyć w procesie translacji. W ramach tej funkcji aaRS stanowią „maszynę aminoacylacji”²⁴. Większość komórek wymaga dwudziestu różnych enzymów aaRS – jednego dla każdego aminokwasu – a bez nich maszyneria transkrypcji i translacji nie może prawidłowo funkcjonować²⁵. Jak stwierdzono w artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Cell Biology International”: „Sekwencja zasad azotowych nukleotydów jest pozbawiona sensu również wtedy, gdy brakuje konceptualnego schematu translacji i zdolności zapewnianych przez fizyczny »hardware«. Rybosomy, tRNA, syntetazy aminoacylo-tRNA oraz aminokwasy są składnikami hardware’u »odbiornika« wiadomości w sensie Shannona. Instrukcje dla tej maszynerii same zakodowane są jednak w DNA i wykonują je białkowi »pracownicy« tworzeni przez tę maszynerię. Bez tej maszynerii i białkowych pracowników wiadomość nie może zostać odebrana i zrozumiana. A bez instrukcji genetycznych ta maszyneria w ogóle nie może powstać”²⁶. Można więc argumentować, że te składniki tworzą układ nieredukowalnie złożony²⁷.

4. KASKADA KRZEPNIĘCIA KRWI

Układ krzepnięcia krwi to „typowy przykład maszyny molekularnej, w której wzajemne oddziaływanie substratów, enzymów, kofaktorów białkowych i jonów wapnia na powierzchni fosfolipidowej znacznie przyspiesza tempo koagulacji”²⁸. Według autorów cytowanego przed chwilą artykułu, który ukazał się w czasopiśmie „BioEssays”, „cząsteczki wchodzą w interakcje z powierzchnią komórki (z jej cząsteczkami) oraz innymi białkami, aby tworzyć kompleksy reakcji, które mogą funkcjonować jako maszyny molekularne”²⁹. Biorąc za podstawę dane eksperymentalne, Michael Behe argumentuje, że kaskada krzepnięcia krwi ma nieredukowalny rdzeń obejmujący składniki działające po zbiegnięciu się szlaków inicjacyjnych³⁰.

5. RYBOSOM

Rybosom to „maszyna RNA”³¹, która stanowi kompleks „obejmujący ponad 300 białek i RNA”³². W rybosomie RNA informacyjny ulega translacji na białko, a więc rybosom odgrywa kluczową rolę w syntezie białek w komórce. Craig Venter, czołowy badacz w dziedzinie genomiki, który miał też duży udział w Projekcie Poznania Ludzkiego Genomu, nazwał rybosom „niewiarygodnie pięknym i złożonym bytem”, a George Church wskazał, że „w przypadku rybosomu minimum stanowią 53 białka i 3 polinukleotydy”³³. Niektórzy biologowie ewolucyjni podejrzewają, że rybosom może być nieredukowalnie złożony.

6. PRZECIWCIAŁA I SWOISTA ODPOWIEDŹ IMMUNOLOGICZNA

Przeciwciała są „»palcami« ślepego układu immunologicznego – umożliwiają mu odróżnienie intruza od samego organizmu”³⁴. Procesy tworzące przeciwciała wymagają jednak udziału szeregu maszyn molekularnych³⁵. Limfocyty we krwi produkują przeciwciała poprzez mieszanie i dopasowywanie części pewnych specjalnych genów, dzięki czemu powstaje ponad 100 000 000 różnych przeciwciał³⁶. Ta „swoista odpowiedź immunologiczna” umożliwia organizmowi oznaczanie i niszczenie większości intruzów. Michael Behe argumentuje, że ten układ jest nieredukowalnie złożony, ponieważ jego funkcjonowanie wymaga obecności licznych składników: „Duża różnorodność przeciwciał na niewiele się zda, jeżeli brakuje układu zabijającego intruzów. System do zabijania intruzów nie przyniesie korzyści, jeśli nie istnieje metoda ich identyfikacji. Na każdym kroku hamują nas nie tylko problemy układów lokalnych, lecz także wymogi zintegrowanego systemu”³⁷.

— Koniec części pierwszej —

Casey Luskin

Oryginał: Molecular Machines, „Evolution News & Science Today” [dostęp: 14 V 2025].

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan