‹

06. The Membrane and the Machine

06. The Membrane and the Machine

06. ​เยื่อ​หุ้ม​และ​เครื่องจักร

Picture warm shallow water, or the plume of a hydrothermal vent, somewhere around four billion years ago. Fatty acid molecules, long carbon chains with a head that loves water and a tail that flees it, are crowding together in solution, and the moment enough of them gather, they curl spontaneously into hollow spheres. No gene directs this. No instruction exists yet to direct it. It is simply the shape this chemistry prefers once concentration and conditions allow it, and the hollow sphere it produces, called a vesicle, is the first rough draft of an inside separated from an outside.

​ทรงกลม​กลวง​ใบ​แรก​ไม่​ได้​ถูก​สั่ง​ให้​เกิด ​มัน​เกิดขึ้น​เอง ​ฉาก​คือ​น้ำ​ตื้น​ที่​อุ่น ​หรือ​กลุ่ม​ควัน​จาก​ปล่อง​น้ำพุ​ร้อน​ใต้​ทะเล ​เมื่อ​ราว​สี่​พัน​ล้าน​ปีก่อน ​โมเลกุล​กรดไขมัน​เบียด​กัน​อยู่​ใน​สารละลาย ​แต่ละ​โมเลกุล​เป็น​สายโซ่​คาร์บอน​ยาว ​หัว​รัก​น้ำ ​หาง​หนี​น้ำ ​พอ​มัน​มา​รวมกัน​มาก​พอ ​มัน​ม้วนตัว​เป็น​ทรงกลม​กลวง​ทันที​โดยธรรมชาติ ​ไม่​มี​ยีน​ใด​สั่งการ​สิ่ง​นี้ ​และ​ยัง​ไม่​มี​คำสั่ง​ใด​อยู่เลย​ที่จะ​สั่ง​มัน​ได้ ​นี่​เป็น​เพียง​รูปทรง​ที่​เคมี​ชนิด​นี้​เลือก​เอง ​เมื่อ​ความเข้มข้น​และ​สภาวะ​แวดล้อม​เอื้ออำนวย ​ทรงกลม​กลวง​ที่​ได้​ออกมา​เรียก​ว่า​เวสิเคิล (vesicle) ​และ​มัน​คือ​ร่าง​หยาบ​ร่าง​แรก​ของ "​ข้างใน" ​ที่​แยก​ออกจาก "​ข้างนอก"

Roy Black and Matthew Blosser's 2016 synthesis of the field, building on decades of work by pioneers such as Deamer, Luisi, Szostak and Rasmussen, describes these vesicles as more than passive bubbles. Built from single-chain fatty acids roughly ten to fifteen carbons long, they assemble across a wide range of conditions, a pH anywhere from about 6.5 to above 12, in water salted the way early oceans are thought to have been, with sodium, magnesium and calcium all present, and they form most readily around 70 degrees Celsius, scalding to the touch but unremarkable next to a hydrothermal source. Once formed, these vesicles actively bind and concentrate the raw building blocks of biology inside themselves: the individual letters that make up RNA, simple sugars, and, with somewhat less certainty, amino acids.

​เวสิเคิล​เหล่านี้​เป็นมา​กก​ว่า​ฟองอากาศ​ที่​นิ่งเฉย ​บท​สังเคราะห์​ปี 2016 ​ของ Roy Black ​และ Matthew Blosser ​สรุป​ไว้​เช่นนั้น ​โดย​ต่อยอด​จาก​งาน​หลาย​ทศวรรษ​ของ​ผู้บุกเบิก​อย่าง Deamer, Luisi, Szostak ​และ Rasmussen ​มัน​สร้าง​ขึ้น​จาก​กรดไขมัน​สาย​เดี่ยว​ยาว​ราว​สิบ​ถึง​สิบห้า​อะตอม​คาร์บอน ​และ​ประกอบ​ตัว​ขึ้น​ได้​ใน​สภาวะ​ที่​กว้าง​มาก pH ​ตั้งแต่​ราว 6.5 ​ไป​จน​เกิน 12 ​ใน​น้ำ​ที่​เค็ม​แบบ​ที่​เชื่อ​กัน​ว่า​มหาสมุทร​ยุค​แรกเริ่ม​เป็น ​มี​ทั้ง​โซเดียม ​แมกนีเซียม ​และ​แคลเซียม​อยู่​พร้อมกัน ​มัน​ก่อตัว​ง่าย​ที่สุด​ที่​ราว 70 ​องศาเซลเซียส ​ร้อน​จน​แสบ​มือ ​แต่​ก็​ไม่​ใช่​เรื่อง​แปลก​เมื่อ​เทียบ​กับ​แหล่งน้ำ​พุ​ร้อน​ใต้​ทะเล ​เมื่อ​ก่อตัว​แล้ว ​มัน​จับ​และ​สะสม​วัตถุดิบ​พื้นฐาน​ของ​ชีววิทยา​ไว้​ใน​ตัวเอง​อย่าง​จริงจัง ​ทั้งตัว​อักษร​แต่ละ​ตัว​ที่​ประกอบ​กัน​เป็น​อาร์​เอ็น​เอ ​และ​น้ำตาล​อย่าง​ง่าย ​ส่วน​กรดอะมิโน​ก็​เข้าไป​ด้วย ​แม้​ความแน่นอน​ใน​กรณี​หลัง​จะ​น้อยกว่า​เล็กน้อย

That concentrating effect matters more than it sounds. A self-copying molecule adrift in open water competes with nothing and protects nothing it makes; useful neighboring molecules simply drift away into the vastness of the ocean. Wrap the same chemistry inside a fatty membrane, and there is suddenly a boundary: an inside that can hoard its own building blocks, an outside that cannot immediately dilute them away. That boundary does real work for whatever chemistry it encloses, long before a single gene exists to build it on purpose. Every cell alive today still wears some descendant of that same boundary, a lipid bilayer: two layers of fatty molecules, tails pointing inward away from water, heads pointing outward into it. Laboratory versions of these same simple vesicles today can still encapsulate and protect short strands of RNA, reproducing in a dish the proposed first step from four billion years ago.

​ผล​ของ​การสะสม​ความเข้มข้น​นี้​สำคัญ​กว่า​ที่​ฟัง​ดู ​โมเลกุล​ที่​คัดลอก​ตัวเอง​ได้​ซึ่ง​ลอย​อยู่​ใน​น้ำ​เปิด​ไม่​ได้​แข่ง​กับ​สิ่งใด ​และ​ไม่​ปกป้อง​สิ่งใด​ที่​มัน​สร้าง​ขึ้น ​โมเลกุล​ข้างเคียง​ที่​มีประโยชน์​ลอย​หาย​ไป​ใน​ความกว้างใหญ่​ของ​มหาสมุทร ​ห่อ​เคมี​ชุด​เดียวกัน​นี้​ไว้​ใน​เยื่อ​ไขมัน ​แล้ว​ขอบเขต​ก็​เกิดขึ้น​ทันที ​ข้างใน​กักตุน​วัตถุดิบ​ของ​ตัวเอง​ไว้​ได้ ​ข้างนอก​เจือจาง​มัน​ออก​ไป​ทันที​ไม่​ได้ ​ขอบเขต​นั้น​ทำงาน​จริง​ให้​เคมี​ทุกอย่าง​ที่​มัน​ห่อหุ้ม​ไว้ ​นาน​ก่อน​จะ​มี​ยีน​สัก​ตัว​คอย​สร้าง​มัน​ขึ้น​มา​โดยตั้งใจ ​ทุก​เซลล์​ที่​มีชีวิต​อยู่​ใน​ปัจจุบัน​ยัง​สวม​ทายาท​บาง​รูปแบบ​ของ​ขอบเขต​เดียวกัน​นั้น ​นั่น​คือ​เยื่อ​สองชั้น​ของ​ไขมัน (lipid bilayer) ​โมเลกุล​ไขมัน​เรียง​กัน​สองชั้น ​หาง​ชี้​เข้า​ด้านใน​หนี​น้ำ ​หัว​ชี้​ออก​ด้านนอก​เข้าหา​น้ำ ​เวสิเคิล​อย่าง​ง่าย​แบบ​เดียวกัน​นี้​ใน​ห้องทดลอง​ทุกวันนี้​ยัง​ห่อหุ้ม​และ​ปกป้อง​สาย​อาร์​เอ็น​เอ​สั้น ๆ ​ได้ ​จำลอง​ขั้นตอน​แรก​ที่​มี​ผู้เสนอ​ไว้​เมื่อ​สี่​พัน​ล้าน​ปีก่อน​ขึ้น​มา​ใหม่​ใน​จาน​ทดลอง

How much a membrane like this could accomplish entirely unaided, before any genetically encoded help arrived in the form of membrane proteins the cell built for itself, is still argued over, and so is how strongly amino acids specifically stick to such an early membrane compared to how well nucleobases and sugars do. The first step's chemistry is settled and uncontested. How many further steps it could take alone is not.

​เคมี​ของ​ขั้นตอน​แรก​เป็นที่​ยุติ​แล้ว​และ​ไม่​มี​ข้อโต้แย้ง ​จำนวน​ขั้น​ถัดไป​ที่​มัน​เดิน​ได้​ด้วยตัวเอง​ต่างหาก​ที่​ยัง​ไม่​ยุติ ​นักวิจัย​ยัง​ถก​กัน​ว่า​เยื่อ​หุ้ม​แบบนี้​ทำ​อะไร​ได้มาก​เพียงใด​โดยลำพัง ​ไม่​มี​ใคร​ช่วย ​ก่อนที่​ความช่วยเหลือ​ซึ่ง​เข้ารหัส​ทาง​พันธุกรรม​จะ​มาถึง​ใน​รูป​โปรตีน​เยื่อ​หุ้ม​ที่​เซลล์​สร้าง​ขึ้น​เอง ​อีก​ข้อ​ที่​ยัง​ถก​กัน​คือ​กรดอะมิโน​เกาะติด​เยื่อ​หุ้ม​ยุค​แรก​เช่นนี้​ได้​แน่น​เพียงใด​โดยเฉพาะ ​เทียบ​กับ​ที่​นิว​คลี​โอ​เบส​และ​น้ำตาล​เกาะ​ได้ดี​เพียงใด

A second puzzle concerns which kind of membrane came first. The two great domains of single-celled life today build their membranes from chemically mirror-image parts. Archaea use branched hydrocarbon chains, called isoprenoids, linked by a tough ether bond to one mirror-image form of a glycerol backbone. Bacteria, and Eukarya, which inherited their membrane chemistry from bacteria-like ancestors, use straight fatty acid chains linked by an easier-to-break ester bond to the opposite mirror-image form of that same backbone. This split was long assumed to have opened up only after LUCA, since no living organism was ever found straddling both chemistries at once.

​ปริศนา​ข้อ​ที่สอง​คือ​เยื่อ​หุ้ม​ชนิด​ใด​เกิดขึ้น​ก่อน ​สอง​โดเมน​ใหญ่​ของ​สิ่งมีชีวิต​เซลล์​เดียว​ใน​ปัจจุบัน​สร้าง​เยื่อ​หุ้ม​ของ​ตน​จาก​ชิ้นส่วน​ที่​เป็น​ภาพสะท้อน​กระจก​ทาง​เคมี​ของ​กันและกัน ​อาร์เคีย​ใช้​สาย​ไฮโดรคาร์บอน​แบบ​แตก​กิ่ง​ที่​เรียก​ว่า​ไอ​โซพ​รี​นอยด์ (isoprenoids) ​เชื่อม​ด้วย​พันธะ​อีเทอร์​ที่​แข็งแรง​เข้ากับ​แกน​กลีเซอรอล​รูปแบบ​ภาพสะท้อน​กระจก​ด้าน​หนึ่ง ​แบคทีเรีย​ใช้​สาย​กรดไขมัน​ตรง ​เชื่อม​ด้วย​พันธะ​เอส​เทอร์​ที่​แตก​ง่าย​กว่า ​เข้ากับ​แกน​เดียวกัน​ใน​รูปแบบ​ภาพสะท้อน​กระจก​ด้าน​ตรงข้าม ​ยู​คา​ริ​โอ​ตา​ใช้​แบบ​เดียว​กับ​แบคทีเรีย ​เพราะ​รับ​เคมี​ของ​เยื่อ​หุ้ม​มาจาก​บรรพบุรุษ​คล้าย​แบคทีเรีย ​นักชีววิทยา​สันนิษฐาน​มา​นาน​ว่าการ​แยกทาง​นี้​เปิด​ขึ้น​หลัง LUCA ​เท่านั้น ​เพราะ​ไม่​เคย​พบ​สิ่งมีชีวิต​ใด​คร่อม​เคมี​ทั้งสอง​แบบ​ไว้​พร้อมกัน​เลย

In 2021, Laura Villanueva, Bas Dutilh and colleagues narrowed that assumption without closing it. They found a complete, apparently functional archaeal-style pathway for building ether lipids hiding inside the genomes of ordinary bacteria belonging to the FCB superphylum, a large bacterial grouping named for three of its member lineages, Fibrobacteres, Chlorobi and Bacteroidetes, with the relevant genes switched on in wild environmental samples, not merely present and silent. Moving those bacterial genes into laboratory E. coli produced cells running a genuinely mixed membrane, archaeal chemistry and bacterial chemistry side by side in the same cell wall. That does not prove LUCA itself had such a mixed, double-handed membrane; no living organism confirms that directly. It does show the two chemistries are far less walled off from each other than the textbook divide implied.

​ใน​ปี 2021 Laura Villanueva, Bas Dutilh ​และ​เพื่อนร่วมงาน​ตี​กรอบ​สมมติฐาน​นั้น​ให้​แคบ​ลง ​โดย​ยัง​ไม่​ปิด​คำถาม ​พวกเขา​พบ​เส้นทาง​แบบ​อาร์เคีย​สำหรับ​สร้าง​ไขมัน​อีเทอร์ ​ครบถ้วน​และ​ดูจะ​ทำงาน​ได้​จริง ​ซ่อน​อยู่​ใน​จีโนม​ของ​แบคทีเรีย​ธรรมดา​ใน​ซูเปอร์​ไฟลัม FCB ​กลุ่ม​แบคทีเรีย​ขนาดใหญ่​กลุ่ม​นี้​ตั้งชื่อ​ตาม​สามสาย​พันธุ์​สมาชิก​ของ​มัน ​คือ Fibrobacteres, Chlorobi ​และ Bacteroidetes ​ยีน​ที่​เกี่ยวข้อง​เปิด​ทำงาน​อยู่​ใน​ตัวอย่าง​จาก​สิ่งแวดล้อม​ตาม​ธรรมชาติ ​ไม่​ใช่​เพียง​มี​อยู่แล้ว​เงียบ​เฉย ​ย้าย​ยีน​แบคทีเรีย​เหล่านั้น​เข้าไป​ใน E. coli ​ใน​ห้องทดลอง ​ก็ได้​เซลล์​ที่​เดิน​เยื่อ​หุ้ม​แบบ​ผสม​อย่าง​แท้จริง ​เคมี​แบบ​อาร์เคีย​กับ​เคมี​แบบ​แบคทีเรีย​อยู่​เคียง​กัน​ใน​ผนัง​เซลล์​เดียวกัน ​ผล​นี้​ไม่​ได้​พิสูจน์​ว่า LUCA ​เอง​มี​เยื่อ​หุ้ม​แบบ​ผสม​สอง​มือ​เช่นนั้น ​ไม่​มี​สิ่งมีชีวิต​ใด​ยืนยัน​เรื่อง​นี้​โดยตรง ​แต่​มัน​แสดงให้เห็น​ว่า​เคมี​ทั้งสอง​แบบ​ถูก​กั้น​แยกจาก​กัน​น้อยกว่า​ที่​การแบ่งแยก​ใน​ตำราเรียน​บอก​ไว้​มาก

The machine that never changed

​เครื่องจักร​ที่​ไม่​เคย​เปลี่ยนแปลง

Whatever LUCA's own membrane looked like, something running inside it was already reading the frozen, sixty-four-word code from two legs back and using it to build proteins. That something is the ribosome: a large molecular machine, built mostly out of RNA with a supporting cast of proteins, that takes a strand of messenger RNA and, three letters at a time, strings together the matching chain of amino acids.

​สิ่ง​ที่ทำงาน​อยู่​ภายใน​เยื่อ​หุ้ม​ของ LUCA ​อ่าน​รหัส​หกสิบ​สี่​คำ​ที่​แข็งตัว​แล้ว​จาก​ช่วง​สอง​ตอน​ก่อนหน้า ​และ​ใช้​มัน​สร้าง​โปรตีน​อยู่​ก่อน​แล้ว ​เยื่อ​หุ้ม​ของ LUCA ​เอง​จะ​มีหน้า​ตา​อย่างไร​ก็​ไม่​เปลี่ยน​ข้อ​นี้ ​สิ่ง​นั้น​คือ​ไรโบโซม ​เครื่องจักร​ระดับ​โมเลกุล​ขนาดใหญ่ ​สร้าง​ขึ้น​จาก​อาร์​เอ็น​เอ​เป็นส่วนใหญ่ ​มี​โปรตีน​เป็น​นักแสดง​สมทบ ​มัน​รับสาย​อาร์​เอ็น​เอ​นำ​สาร​เข้ามา ​แล้ว​ร้อย​เรียง​กรดอะมิโน​ที่​ตรงกัน​ต่อกัน​เป็น​สาย ​ทีละ​สาม​ตัวอักษร

The proof that this machine is itself a working fossil of the RNA world arrived as a single, decisive structure. In 2000, Poul Nissen, Jeffrey Hansen, Nenad Ban, Peter Moore and Thomas Steitz solved the atomic structure of the ribosome's large subunit, resolved down to 2.4 angstroms, a unit small enough to distinguish individual atoms, using material from Haloarcula marismortui, a salt-loving archaeon. Their results appeared as two companion papers in the same issue of Science: one from Ban's team describing the subunit's overall architecture, the other from Nissen's team zeroing in on the active site itself. At the exact site where two amino acids are stitched together, called the peptidyl transferase center, no protein sits close enough to touch the reaction; the active site is built entirely from two RNA molecules, the 23S and 5S ribosomal RNAs. Thomas Cech, reviewing the result in a commentary in the same issue, summed it up in five words: "the ribosome is a ribozyme," a piece of RNA doing a job usually reserved for a protein enzyme.

​โครงสร้าง​เดียว​ชี้ขาด​ว่า​เครื่องจักร​นี้​เอง​คือ​ฟอสซิล​ที่​ยัง​ทำงาน​อยู่​ของ​โลก​อาร์​เอ็น​เอ ​ใน​ปี 2000 Poul Nissen, Jeffrey Hansen, Nenad Ban, Peter Moore ​และ Thomas Steitz ​ไข​โครงสร้าง​ระดับ​อะตอม​ของ​หน่วย​ย่อย​ขนาดใหญ่​ของ​ไรโบโซม​ได้​สำเร็จ ​ความละเอียด​อยู่​ที่ 2.4 ​อังสตรอม ​หน่วย​ที่​เล็ก​พอ​จะ​แยกแยะ​อะตอม​ทีละ​ตัว​ได้ ​วัสดุ​ที่​ใช้​มาจาก Haloarcula marismortui ​อาร์เคีย​ที่​ชอบ​เกลือ ​ผลงาน​ตีพิมพ์​เป็น​บทความ​คู่​กัน​สอง​ฉบับ​ใน​วารสาร Science ​ฉบับ​เดียวกัน ​ทีม​ของ Ban ​อธิบาย​โครงสร้าง​โดยรวม​ของ​หน่วย​ย่อย ​ทีม​ของ Nissen ​เจาะ​ไป​ที่​บริเวณ​เร่ง​ปฏิกิริยา​โดยตรง ณ ​จุด​ที่​กรดอะมิโน​สอง​ตัว​ถูก​เย็บ​เข้าด้วยกัน​พอดี ​เรียก​ว่า​ศูนย์เป​ปติ​ดิลท​รานสเฟอ​เรส (peptidyl transferase center) ​ไม่​มี​โปรตีน​ตัว​ใด​อยู่​ใกล้​พอ​จะ​แตะต้อง​ปฏิกิริยา​นั้น​ได้​เลย ​บริเวณ​เร่ง​ปฏิกิริยา​สร้าง​ขึ้น​จาก​โมเลกุล​อาร์​เอ็น​เอส​อง​ตัว​ล้วน ๆ ​คือ 23S ​และ 5S ​ไร​โบ​โซมัล​อาร์​เอ็น​เอ Thomas Cech ​วิจารณ์​ผลงาน​นี้​ใน​บทวิจารณ์​ที่​ตีพิมพ์​ใน​ฉบับ​เดียวกัน ​และ​สรุป​ด้วย​คำ​ห้า​คำ​ว่า "​ไรโบโซม​คือ​ไร​โบ​ไซ​ม์" (the ribosome is a ribozyme) ​อาร์​เอ็น​เอ​ชิ้น​หนึ่ง​ทำหน้าที่​ที่​ปกติ​สงวน​ไว้​ให้​เอนไซม์​โปรตีน

The implication runs deep. RNA had to be capable of stitching amino acids together before proteins existed to do that job any other way. The ribosome's catalytic heart is not a metaphor for the RNA world; it is a still-working piece of it. That structural fact has not been seriously disputed since 2000. What remains under active study is exactly how such a ribozyme first assembled, and how it later acquired its surrounding shell of protein support.

​นัย​ของ​เรื่อง​นี้​ลึก ​อาร์​เอ็น​เอ​ต้อง​เย็บ​กรดอะมิโน​เข้าด้วยกัน​ได้​ก่อนที่​โปรตีน​จะ​มี​อยู่​เพื่อ​ทำหน้าที่​นั้น​ด้วย​วิธี​อื่น​ใด ​แกน​เร่ง​ปฏิกิริยา​ของ​ไรโบโซม​ไม่​ใช่​คำอุปมา​สำหรับ​โลก​อาร์​เอ็น​เอ ​มัน​คือ​ชิ้นส่วน​หนึ่ง​ของ​โลก​นั้น​ที่​ยัง​ทำงาน​อยู่​จริง ​ข้อเท็จจริง​เชิง​โครงสร้าง​นี้​ไม่​เคย​ถูก​โต้แย้ง​อย่าง​จริงจัง​เลย​นับตั้งแต่​ปี 2000 ​สิ่ง​ที่​ยัง​ศึกษา​กัน​อยู่​อย่าง​ต่อเนื่อง​คือ​ไร​โบ​ไซ​ม์​เช่นนี้​ประกอบ​ตัว​ขึ้น​ครั้งแรก​ได้​อย่างไร​กัน​แน่ ​และ​มัน​ไป​ได้​เปลือก​โปรตีน​ที่​ห่อหุ้ม​รอบตัว​มัน​มา​ใน​ภายหลัง​ได้​อย่างไร

That shell has its own history, and the ribosome's shape seems to remember building it. In 2009, Konstantin Bokov and Sergey Steinberg mapped the internal folding pattern of the large ribosomal RNA subunit and found it organized in concentric layers, an ancient core wrapped in shell after shell added later, rather than as an arbitrary tangle of RNA. They concluded that the ribosome's origin "happened nearly four billion years ago," a figure reasoned out from structure rather than read off any rock. A later reanalysis, published in the Journal of Molecular Evolution under the title "Ancestral Insertions and Expansions of rRNA do not Support an Origin of the Ribosome in Its Peptidyl Transferase Center," pushed back on one detail, questioning whether that ancient core lines up exactly with the peptide-bond-forming site, without overturning the layered picture itself.

​เปลือก​นั้น​มีประวัติ​ศาสตร์​ของ​ตัว​มัน​เอง ​และ​รูปทรง​ของ​ไรโบโซม​ดูจะ​ยัง​จดจำ​การสร้าง​มัน​ไว้ ​ใน​ปี 2009 Konstantin Bokov ​และ Sergey Steinberg ​ทำ​แผนที่​รูปแบบ​การพับ​ตัว​ภายใน​ของ​หน่วย​ย่อย​อาร์​เอ็น​เอ​ไรโบโซม​ขนาดใหญ่ ​พวกเขา​พบ​ว่า​มัน​เรียง​เป็น​ชั้น ๆ ​ซ้อน​กัน​รอบ​จุดศูนย์กลาง ​แกน​โบราณ​อยู่​ตรงกลาง ​แล้ว​มี​เปลือก​ทับ​เข้ามา​ทีละ​ชั้นใน​ภายหลัง ​ไม่​ใช่​เส้น​อาร์​เอ็น​เอ​ที่​พัน​กัน​อย่าง​ไร้​ระเบียบ ​ทั้งสอง​สรุป​ว่า​กำเนิด​ของ​ไรโบโซม "​เกิดขึ้น​เมื่อ​เกือบ​สี่​พัน​ล้าน​ปีก่อน" ​ตัวเลข​นี้​ได้​จาก​การให้เหตุผล​ผ่าน​โครงสร้าง ​ไม่​ได้​อ่าน​จาก​ชั้นหิน​ใด ๆ ​การวิเคราะห์​ซ้ำ​ใน​เวลา​ต่อมา​โต้แย้ง​รายละเอียด​จุด​หนึ่ง ​งาน​ชิ้น​นั้น​ตีพิมพ์​ใน Journal of Molecular Evolution ​ภายใต้​ชื่อเรื่อง "Ancestral Insertions and Expansions of rRNA do not Support an Origin of the Ribosome in Its Peptidyl Transferase Center" ​มัน​ตั้งคำถาม​ว่า​แกน​โบราณ​นั้น​ตรง​กับ​ตำแหน่ง​ที่​สร้าง​พันธะเปป​ไท​ด์​พอดี​หรือไม่ ​โดย​ไม่​ได้​ล้มล้าง​ภาพรวม​ที่​เป็น​ชั้น ๆ ​นั้น​เลย

A separate 2015 study by Anton Petrov and colleagues built out a fuller six-phase growth sequence for the whole translation system: an ancestral RNA core first learned to fold correctly, then to catalyze a chemical reaction, then to pair up with a second subunit, then to co-evolve with its emerging protein partners, then to run on an energy-driven decoding cycle, and only last did today's proteinized outer surface take shape. Every ribosome alive still carries this same layered core; eukaryotic ribosomes, the kind found in cells with a nucleus, added two further and more recent layers of their own, long tentacle-like RNA extensions found nowhere else in the tree of life. Several such accretion models compete over the exact order of the layers, without disagreement on the broad direction: a small, ancient RNA core, growing outward into today's hybrid machine.

​การศึกษา​แยก​ต่างหาก​ใน​ปี 2015 ​โดย Anton Petrov ​และ​เพื่อนร่วมงาน ​สร้าง​ลำดับ​การเติบโต​หก​ระยะ​ที่​สมบูรณ์​ยิ่งขึ้น​สำหรับ​ระบบ​แปลรหัส​ทั้ง​ระบบ ​แกน​อาร์​เอ็น​เอ​บรรพบุรุษ​เรียน​พับ​ตัว​ให้​ถูกต้อง​ก่อน​เป็นอัน​ดับ​แรก ​จากนั้น​เร่ง​ปฏิกิริยาเคมี​ได้ ​จากนั้น​จับคู่​กับ​หน่วย​ย่อย​ที่สอง ​จากนั้น​วิวัฒนาการ​ร่วม​ไป​กับ​คู่หู​โปรตีน​ที่​กำลัง​ก่อตัว​ขึ้น ​จากนั้น​เดิน​วงจร​ถอดรหัส​ที่​ขับเคลื่อนด้วย​พลังงาน ​และ​เป็นลำดับ​สุดท้าย​เท่านั้น​ที่​พื้นผิว​ด้านนอก​ซึ่ง​เต็มไปด้วย​โปรตีน​แบบ​ปัจจุบัน​จึง​ก่อ​ร่าง​ขึ้น ​ไรโบโซม​ทุก​ตัว​ที่​มีชีวิต​อยู่​ยัง​แบก​แกน​ที่​เป็น​ชั้น ๆ ​ชุด​เดียวกัน​นี้​ไว้ ​ไรโบโซม​ของ​ยู​คา​ริ​โอต ​ชนิด​ที่​พบ​ใน​เซลล์​ที่​มี​นิวเคลียส ​เพิ่ม​ชั้น​ที่​ใหม่​กว่า​เข้ามา​อีก​สองชั้น​เป็น​ของ​ตัวเอง ​คือ​ส่วนขยาย​อาร์​เอ็น​เอ​ยาว​คล้าย​หนวด ​ที่​ไม่​พบ​ที่ใด​อีก​ใน​ต้นไม้​แห่ง​ชีวิต ​แบบจำลอง​การสะสม​ชั้น​เช่นนี้​มี​หลาย​แบบ​และ​แข่ง​กัน​อยู่​ใน​เรื่อง​ลำดับ​ที่​แน่นอน​ของ​แต่ละ​ชั้น ​ทิศทาง​กว้าง ๆ ​ไม่​มี​ใคร​ขัดแย้ง​กัน ​แกน​อาร์​เอ็น​เอ​โบราณ​ขนาดเล็ก ​เติบโต​ขยาย​ออก​ไป​เป็น​เครื่องจักร​ลูกผสม​ใน​ปัจจุบัน

The reading step itself works through a division of labor between two kinds of molecule, as Miguel Angel Rubio Gomez and Michael Ibba's comprehensive 2020 review lays out. A family of enzymes called aminoacyl-tRNA synthetases, molecular matchmakers, one enzyme family shared across all of life, attach each of the twenty amino acids to its own correct transfer RNA, the adaptor molecule carrying the matching three-letter anticodon, checking and double-checking the pairing before release. Once that charging step is done correctly, the ribosome itself never rechecks the amino acid's chemical identity; it simply trusts the three-letter pairing between a codon on the messenger strand and an anticodon on the incoming transfer RNA, and forms the bond. Oddly, the matchmaker enzymes come in two structurally unrelated families, Class I and Class II, ten enzymes each, that independently evolved to perform the identical job, a split whose reason is still an open question, one that reaches back toward the same pre-LUCA code-building era from two legs back.

​ขั้นตอน​การอ่าน​ทำงาน​ด้วย​การแบ่งหน้าที่​ระหว่าง​โมเลกุล​สอง​ประเภท ​ดังที่​บท​ปริทัศน์​ฉบับ​ครอบคลุม​ปี 2020 ​ของ Miguel Angel Rubio Gomez ​และ Michael Ibba ​วาง​ไว้ ​ตระกูล​เอนไซม์​ที่​เรียก​ว่า​อะมิโน​แอ​ซิล-​ที​อาร์​เอ็น​เอ ​ซิ​นที​เทส (aminoacyl-tRNA synthetases) ​ทำหน้าที่​เป็น​แม่สื่อ​ระดับ​โมเลกุล ​และ​เป็น​ตระกูล​เอนไซม์​ตระกูล​เดียว​ที่​สิ่งมีชีวิต​ทั้งหมด​ใช้​ร่วมกัน ​มัน​เชื่อม​กรดอะมิโน​ทั้ง​ยี่สิบ​ชนิด​เข้ากับท​ราน​สเฟอร์​อาร์​เอ็น​เอ​ที่​ถูกต้อง​ของ​แต่ละ​ตัว ​โมเลกุล​ตัว​ปรับ​นั้น​แบก​แอนติ​โค​ดอน​สาม​ตัวอักษร​ที่​ตรงกัน​ไว้ ​และ​เอนไซม์​ตรวจการ​จับคู่​แล้ว​ตรวจ​ซ้ำ​อีกครั้ง​ก่อน​ปล่อย​ออก​ไป ​เมื่อ​ขั้นตอน​ติด​ฉลาก​นี้​เสร็จ​อย่าง​ถูกต้อง ​ไรโบโซม​เอง​ไม่​ตรวจสอบ​เอกลักษณ์​ทาง​เคมี​ของ​กรดอะมิโน​ซ้ำ​อีก​เลย ​มัน​เชื่อ​การจับคู่​สาม​ตัวอักษร​ระหว่าง​โค​ดอน​บน​สาย​อาร์​เอ็น​เอ​นำ​สาร​กับ​แอนติ​โค​ดอน​บนท​ราน​สเฟอร์​อาร์​เอ็น​เอ​ที่​เข้ามา ​แล้ว​สร้าง​พันธะ​ขึ้น ​เรื่อง​แปลก​อยู่​ตรง​ที่​เอนไซม์​แม่สื่อ​มี​อยู่​สอง​ตระกูล​ที่​ไม่​เกี่ยวข้อง​กัน​เลย​ใน​เชิง​โครงสร้าง ​คือ​คลาส I ​และ​คลาส II ​ตระกูล​ละ​สิบ​เอนไซม์ ​ทั้งสอง​วิวัฒนาการ​ขึ้น​อย่าง​เป็นอิสระ​ต่อกัน​เพื่อ​ทำหน้าที่​เดียวกัน​เป๊ะ ​เหตุผล​ของ​การแยก​นี้​ยัง​เป็น​คำถามเปิด ​และ​มัน​ย้อนกลับ​ไป​ถึง​ยุค​สร้าง​รหัส​ก่อน LUCA ​จาก​ช่วง​สอง​ตอน​ก่อนหน้า

Put the two halves of the reading system side by side, RNA-only catalysis at the ribosome's core, protein-based precision at the charging step, and the whole machine reads as a fossil record in its own right: an RNA-world veteran wearing tools built by the protein world it helped bring into being. That same machine, structurally recognizable down to its oldest core, runs unmodified in every domain of life today. Two independent inventions of a machine this specific, this old and this exact would be a coincidence nobody studying it has ever needed to invoke, which makes the ribosome, if anything, an even stronger argument for one shared ancestor than the frozen codon table alone.

​วาง​สอง​ครึ่ง​ของ​ระบบ​การอ่าน​ไว้​เคียง​กัน ​แล้ว​เครื่องจักร​ทั้งตัว​ก็​อ่าน​ได้​เหมือน​บันทึก​ฟอสซิล​ใน​ตัว​ของ​มัน​เอง ​ครึ่งหนึ่ง​คือ​การเร่ง​ปฏิกิริยา​ด้วย​อาร์​เอ็น​เอ​ล้วน ๆ ​ที่​แกนกลาง​ของ​ไรโบโซม ​อีก​ครึ่ง​คือ​ความแม่นยำ​ที่​อาศัย​โปรตีน​ใน​ขั้นตอน​ติด​ฉลาก ​มัน​คือ​ทหารผ่านศึก​จาก​โลก​อาร์​เอ็น​เอ​ที่​สวม​เครื่องมือ​ซึ่ง​สร้าง​ขึ้น​โดย​โลก​โปรตีน ​โลก​ที่​มัน​เอง​มีส่วนช่วย​ให้​ถือกำเนิด​ขึ้น​มา ​เครื่องจักร​ตัว​เดียวกัน​นี้​ยัง​ทำงาน​อยู่​โดย​ไม่​มี​การดัดแปลง​ใน​ทุก​โดเมน​ของ​สิ่งมีชีวิต​ทุกวันนี้ ​และ​ยัง​จำแนก​ได้​ใน​เชิง​โครงสร้าง​ลึก​ลง​ไป​ถึง​แกน​ที่​เก่าแก่​ที่สุด​ของ​มัน ​เครื่องจักร​ที่​จำเพาะ​เจาะจง ​เก่าแก่ ​และ​แม่นยำ​ขนาด​นี้ ​หาก​ถูก​ประดิษฐ์​ขึ้น​อย่าง​เป็นอิสระ​ถึง​สอง​ครั้ง ​ก็​คง​เป็นเรื่อง​บังเอิญ​ที่​ไม่​มี​ใคร​ศึกษา​เรื่อง​นี้​เคย​จำเป็นต้อง​อ้าง​ถึง​เลย ​ไรโบโซม​จึง​เป็น​ข้อโต้แย้ง​สำหรับ​บรรพบุรุษ​ร่วม​เพียง​หนึ่งเดียว​ที่​หนักแน่น​ยิ่งกว่า​ตาราง​โค​ดอน​ที่​แข็งตัว​เพียง​อย่าง​เดียว​เสีย​อีก

A membrane to hold a self apart from the world. A frozen code to write proteins by. A machine old enough to remember reading the first of them. By roughly four billion years ago, give or take the usual margins, the essential parts were all in place. What was not yet in place was scale, something to make energy abundant enough to build a far larger cell out of these same old parts. That arrives next, when one cell does something stranger than inventing any new molecule: it swallows another cell whole, and keeps it.

​เมื่อ​ราว​สี่​พัน​ล้าน​ปีก่อน ​บวก​ลบ​ตาม​ขอบเขต​ปกติ ​ชิ้นส่วน​สำคัญ​อยู่​ครบ​แล้ว ​เยื่อ​หุ้ม​ที่​แยกตัว​ตน​ออกจาก​โลก​ภายนอก ​รหัส​ที่​แข็งตัว​ไว้​ใช้​เขียน​โปรตีน ​เครื่องจักร​ที่​เก่าแก่​พอ​จะ​จดจำ​การอ่าน​รหัส​แรก​สุด​นั้น​ได้ ​สิ่ง​ที่​ยัง​ไม่​มี​คือ​ขนาด ​ต้อง​มี​อะไร​สัก​อย่าง​ทำให้​พลังงาน​มี​มาก​พอ​จะ​สร้าง​เซลล์​ที่​ใหญ่​กว่า​เดิม​มาก​จาก​ชิ้นส่วน​เก่าแก่​ชุด​เดียวกัน​นี้ ​สิ่ง​นั้น​มาถึง​ใน​ลำดับ​ถัดไป ​เมื่อ​เซลล์​หนึ่ง​ทำ​สิ่ง​ที่​แปลกประหลาด​ยิ่งกว่า​การคิดค้น​โมเลกุล​ใหม่​ใด ๆ ​มัน​กลืน​กิน​เซลล์​อีก​เซลล์​หนึ่ง​เข้าไป​ทั้งตัว ​แล้ว​เก็บ​มัน​ไว้

Overturned if: a ribosome's peptidyl transferase center were found built from protein rather than RNA in any lineage, breaking the claim that peptide-bond catalysis is a universal, inherited relic of the RNA world.

​พลิกกลับ​ได้​หาก: ​พบ​ไรโบโซม​ใน​สายพันธุ์​ใด​ก็ตาม​ที่​มี​ศูนย์เป​ปติ​ดิลท​รานสเฟอ​เร​สส​ร้าง​ขึ้น​จาก​โปรตีน​แทนที่จะ​เป็น​อาร์​เอ็น​เอ ​ผล​เช่นนั้น​จะ​ทำลาย​ข้อกล่าวอ้าง​ที่ว่าการ​เร่ง​ปฏิกิริยา​สร้าง​พันธะเปป​ไท​ด์​เป็น​ร่องรอย​สากล​ที่​สืบทอด​มาจาก​โลก​อาร์​เอ็น​เอ

Sources

​แหล่งข้อมูล

  • 2016 · Black, R.A. & Blosser, M.C., "A Self-Assembled Aggregate Composed of a Fatty Acid Membrane and the Building Blocks of Biological Polymers Provides a First Step in the Emergence of Protocells" — Life 6:33
  • 2021 · Villanueva, L. et al., "Bridging the membrane lipid divide: bacteria of the FCB group superphylum have the potential to synthesize archaeal ether lipids" — The ISME Journal 15:168–182
  • 2000 · Nissen, P., Hansen, J., Ban, N., Moore, P.B., Steitz, T.A., "The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis" — Science 289:920–930, PMID 10937990
  • 2009 · Bokov, K. & Steinberg, S.V., "A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA" — Nature 457:977–980
  • 2015 · Petrov, A.S. et al., "History of the Ribosome and the Origin of Translation" — PNAS 112:15396–15401, PMID 26621738
  • 2020 · Rubio Gomez, M.A. & Ibba, M., "Aminoacyl-tRNA synthetases" — RNA 26:910–936, PMC7373986
  • 2016 · Black, R.A. & Blosser, M.C., "A Self-Assembled Aggregate Composed of a Fatty Acid Membrane and the Building Blocks of Biological Polymers Provides a First Step in the Emergence of Protocells" — Life 6:33
  • 2021 · Villanueva, L. et al., "Bridging the membrane lipid divide: bacteria of the FCB group superphylum have the potential to synthesize archaeal ether lipids" — The ISME Journal 15:168–182
  • 2000 · Nissen, P., Hansen, J., Ban, N., Moore, P.B., Steitz, T.A., "The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis" — Science 289:920–930, PMID 10937990
  • 2009 · Bokov, K. & Steinberg, S.V., "A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA" — Nature 457:977–980
  • 2015 · Petrov, A.S. et al., "History of the Ribosome and the Origin of Translation" — PNAS 112:15396–15401, PMID 26621738
  • 2020 · Rubio Gomez, M.A. & Ibba, M., "Aminoacyl-tRNA synthetases" — RNA 26:910–936, PMC7373986
บทถัดไป · 7 / 1407. The Great Merger
Size
Page
Font

AMINO — The Immortal Thread

❦
101. The First Choice01. ทางเลือกแรก202. Four Letters02. สี่ตัวอักษร303. The Molecule That Copied Itself03. โมเลกุลที่คัดลอกตัวเอง404. The Frozen Code04. รหัสที่แข็งตัว505. The Upgrade to DNA05. การอัปเกรดสู่ดีเอ็นเอ606. The Membrane and the Machine06. เยื่อหุ้มและเครื่องจักร707. The Great Merger07. การรวมตัวครั้งยิ่งใหญ่808. Messengers Before Minds08. ผู้ส่งสารก่อนจะมีจิตใจ909. The First Animals09. สัตว์กลุ่มแรก1010. The Bonding Peptides10. เปปไทด์แห่งความผูกพัน1111. The Lobster's Posture11. ท่ายืนของล็อบสเตอร์1212. The Vertebrate Bargain12. ข้อตกลงของสัตว์มีกระดูกสันหลัง1313. Big Brains, Ancient Molecules13. สมองใหญ่ โมเลกุลโบราณ1414. The Unbroken Thread14. เส้นด้ายที่ไม่เคยขาด