Det mest essensielle
(Bokanbefaling fra 'The Cell's design' kap 3- av Fazale Rana; tilgjengelig som E-bok. Kursivering og understreking ved oversetter.)


Likesom det i kunsten, tidlig på 1900-tallet, kom på moten en minimalistisk kunstform (kubisme), så har det vært en lignende fokusering i biokjemien. Det har blitt mote å strippe bort alt det overflødige i cellens kjemiske systemer. På det viset håper man å oppnå fundamental innsikt i livets nødvendige kjemiske prosesser, for å oppnå en bedre definisjon av livet og gi innsikt om dets opprinnelse.
Kompleksitet betraktes ofte som en indikasjon på design, selv om Dembskis forklaringsfilter viser at bare kompleksitet som passer med et spesifisert mønster oppfyller det. Vitenskapsfolk har fokusert oppmerksomheten på de enkleste kjente livsformene, prokaryotene. Disse mikrobene kommer nær innpå minimumskravene for livet. I prokaryoter (celler uten kjerne), er det hovedsakelig protein-kodende DNA-sekvenser som utgjør deres genom, og ofte produserer ett gen ett protein. Dermed blir genom-størrelse en god indikator på biologisk kompleksitet.


Biologisk minimalisme: Mindre er mer
Biokjemiskere har vunnet innsikt i livets minimums-kompleksitet ved å undersøke databasen over mikrobe-genom, for å identifisere det enkleste. Da boka ble skrevet var det Pelagibacter ubique som innehadde rekorden for minste genom, for minste, fritt-levende, selvoppholdende prokaryot. Denne mikroben som finnes i 25% av mikrobiske celler i havet, innehar 1354 genprodukter (både proteiner og funksjonelt RNA) (5. Giovannoni et al, "Genome Streamlining," s.1242-45).
Pelagibacter ubique slipper unna med et redusert genom, fordi det lever på overfloden av rester av organisk materiale i havet. Slike heterotrofer krever ikke proteiner som produserer de organiske stoffene som trengs for overlevelse. I motsetning til disse, overlever autotrofer ved å danne de organiske materialene de trenger ved å benytte inorganiske sammensetninger og energi som finnes i omgivelsene. To typer av dem eksisterer: kjemo- og photo-autotrofer. De første (kjemo-autotrofer) benytter kjemisk energi, utvunnet fra omgivelsene, som en energi-kilde til å produsere organisk materiale. Photo-autotrofer produserer mat ved å benytte lysenergi. Det er mest sannsynlig at autotrofenes genom er noe større enn det minimalistiske heterotrofe genomet, på grunn av de ekstra metabolske systemene som kreves for å høste energi og produsere organiske materialer fra inorganiske sammensetninger.


Da de første mikrobe-genomene ble sekvensiert (1999) erkjente biolog Colin Paterson at de 1700 genene i Methanococcus "kanskje er nært det minimum som er nødvendig for uavhengig liv." (7) For photo-autotrofer synes det, basert på begrensede data, at minimum ligger etsteds mellom 1700-2300 genprodukter, større en for kjemo-autotrofene. Dette indikerer at de enkleste livsformer, i stand til uavhengig liv, røft krever mellom 1700-2300 gen-produkter, avhengig av hvilken type energi de benytter. Hvert genprodukt representerer en av cellens molekylære deler. Selv med unødige biokjemiske systemer strippet bort, synes de enkleste livsformene bemerkelsesverdig komplekse.

Mye likt det i kunsten, har biokjemikere oppdaget at også livet krever en serie steg (24). Disse inkluderer:
-samling av omgrensende-membraner
-dannelse av energi samlende evne av grense-membranen
-innkapsling av makromolekyler (proteiner, RNA og DNA) innenfor membranen
-introduksjon av porer i omgrensende-membran, som kan føre råmaterialer inn
-produksjon av systemer som tillater makromolekyler å vokse
-dannelse av katalysatorer, som speeder opp veksten av innkapslede makromolekyler
-sørge for at makromolekylene kan replikere
-introduksjon av informasjon i et sett av makromolekyler, som styrer produksjon av andre makromolekyler
-produksjon av midler til å passere informasjons-inneholdende makromolekyler til datter-produktet av oppdelings-prosessen
Forsker på opprinnelse til livet, David Deamer, erklærte: "Ved å se nedover denne listen, så er man slått av kompleksiteten til endog den enkleste livsformen." (25)
Minimums-liv er også avhengig av gener, som spesifiserer minst én biokjemisk gangsti, som kan ekstrahere energi fra omgivelsene.


Intern sammensetning
I det biokjemikere arbeider for å bestemme minimum antall gener som trengs for livet, gjør mikrobiologer oppdagelser som revolusjonerte det vitenskapelige samfunnets forståelse av prokaryoter. Disse fremskrittene indikerer at livets rene eksistens, strekker seg langt utover antall proteiner som simultant må inntreffe for at livet skal eksistere. Livets minimums-kompleksitet, krever også organisering av disse gen-produktene innen cellen.
Før midten av 1990-årene hadde mikrobiologer et enkelt syn på prokaryoter som 'skip' som inneholdt en et 'variert blanding' av livets molekyler, spredt inni cellen. Kort sagt tenkte ikke mikrobiologer at disse organismene besatt noen type av intern organisering. Denne oppfatningen sto i skarp kontrast til den forunderlige indre organisering i komplekse celler (eukaryoter), som utgjør dyre og plante-riket m.m. Nå holder det tradisjonelle synet på prokaryoter å endre seg. Mikrobiologer har begynt å erkjenne at disse mikrobene fremviser en forunderlig grad av intern organisasjon. Det skjer ikke i form av sub-cellulære systemer, men på det molekylære nivå, både romlig og tidsmessig. (26)
Mikrobiologene Lucy Shaphiro (Stanford) og R. Losick (Harvard) sa: Bruken av .. elektron mikroskopi og fluorescerende mikroskopi for å studere subcellulær organisering i bakterie-celler, har fremvist en overraskende grad av protein avdelings-inndeling og lokalisering. (27) I noen tilfeller omfatter slik organisering essensielle celle-aktiviteter. Noen få eks. i ekstraordinær intern organisering i prokaryoter, inkluderer et bakterielt kromosom, DNA-polymerase, celle-delings proteiner, det bakterielle cytoskjelletet og intern bakteriell oppdeling.


Bakterielt kromosom
Ulik eukaryote celler (som har DNA og proteiner assosiert for å danne kromosomer inne i celle-kjernen), besitter bakterier og arkea en eller flere små nakne stykker av DNA som via en loop danner en vridd sirkel. I motsetning til en tidligere oppfatning av tilfeldigheter, har mikrobiologer nå funnet ut, at bakterielt DNA må ha en spesifikk orientering innen cellen. Videre må, i løpet av celledeling, et komplekst ensemble av proteiner ikke bare dele de to nylig reproduserte DNA-sirklene, men må også holde kromosomet i den korrekte orientering, om ikke dør cellen. (28) Også for ekstremt små, ekstra-kromosomale stykkene av sirkulært DNA, plasmider, gjelder at de grupperer seg og lokaliserer seg innenfor cellen. (29)


DNA Polymerase
DNA polymeraser dupliserer DNA-molekyler i løpet av celle-replikasjon. Mikrobiologer har funnet ut at DNA polymerase må lokaliseres nær sentrum av cellen. (30) Disse enzymene må altså befinne seg i en spesifikk region. Mikrobiologer ser nå bakteriell DNA-polymerase som 'replikasjons-fabrikker', presist forankret i cellen. Deres aktivitet i løpet av celle-replikasjon, synes å være intimt tilknyttet maskineriet som orienterer og segregerer det bakterielle kromosomet. Nylig arbeid viser at også DNA-topoisomeraser, som kontrollerer topologien til DNA-molekylet i form av å introdusere og kutte ned på dets vindings-tetthet (supercoiling). Dersom de ikke er lokalisert i lag med replikasjons-opprinnelsen, vil ikke det bakterielle kromosomet bli skikkelig orientert innen cella. (31)


Celle-delings proteiner
Bakteriell celle-deling, der mor -celler deler nær sine midt-plan, for å danne to datterceller, krever dynamisk romlig og tidsmessig lokalisering av flere proteiner. FtsZ-proteinet er en nøkkel i denne prosessen. Flere kopier av FtsZ proteinet akkumulerer seg i midten av cellen og samler seg for å danne en ring som strekker seg rundt den indre overflaten i celle-veggen. (32) I løpet av celle-delingen, trekker FtsZ -ringen seg sammen for å skvise morcellen til to datter-celler. Ødeleggelse av denne ring-sammenslutningen resulterer i celle-død. (33)
En ansamling av proteiner regulerer måten FtsZ binder seg til den indre cellen, og sikrer at FtsZ-ringen dannes på rett sted. (34) F.eks. Min C og Min D proteiner hindrer FtsZ -proteiner å binde seg til galt sted i celle-veggen. Min E interagerer med MinC og MinD for å fremme FtsZ binding ved cellens midtplan. Enhver ødeleggelse av noen av disse, kompromitterer celle-deling. Nylig arbeid viser at Min C, Min D og Min E proteiner, raskt oscillerer inni bakterie-cellen fra pol til pol, i en spiralformet fasong. Denne frem-og-tibake bevegelsen spiller en kritisk rolle i å etablere FtsZ-ringen i cellens midtplan. (35)


Bakterielt cytoskjelett
Forskning viser at disse mikrobene besitter komplekse, cytoskjelett-strukturer, med komponenter som korresponderer med elementer funnet i eukaryote celler. (36) FtsZ-ringen korresponderer med tubulin i eukaryote celler. MreB-proteinet som korresponderer med actin i eukaryote celler, danner en spiralformet struktur som omspenner lengden av ikke-kuleformede bakterie-arter. MreB-komplekset hjelper å danne celle-form, og tjener som et spor til å frakte molekyler omkring inni bakterie-cella. En annet bakteriell cytoskjelett-komponent (crescentin) korresponderer med midlertidige filament i eukaryot celle. Dette proteinet spiller en rolle i å bestemme celle-form. Det viser seg også at spiral-handlingen til Min- proteiner danner en tilleggs-spiralformet, cytoskjelett-struktur, uavhengig av den dannet av MreB-proteinet. (37)


Indre avdelings-oppdeling i bakterier
Tidligere trodde man at det som kjennetegnet prokaryote celler, var mangel på oppdeling og fravær av organeller. Men dette konvensjonelle synet stemmer ikke. Nylige fremskritt har avdekket eks. på avdelings-oppdeling hos bakterier, ja endog identifisert eksistensen av bakterielle organeller. Ett slikt eks. er carbyxosomet (38) Dette organellet består av et protein-skall, som huser enzymer involvert i karbon-fikserings reaksjoner. Carbyxosomet fjerner disse enzymene fra resten av cellen. Karbon-fikseringer er sensistive i forhold til omgivelsene, og kunne ikke fortsette ubeskyttet i protoplasmaet. Carbyxosomer har endog porer som tillater råmaterialer som trengs for å frakte ut karbon-fikserings reaksjons-produkter, å flyte inn. Tidligere ble disse carbyxosomer formodet å være partikler som invaderte cellen. Paradigmet at prokaryoter manglet avdelings-oppdeling, var så utbredt, at i starten kunne ingen forestille seg at disse inkluderingene omfattet organeller. Det viser seg nå at slike organeller, lik carbyxosomer, er vidt utbredt innen bakterier.
Minimums-liv krever, ikke bare samtidig framtreden av av et relativt stort antall gen-produkter, men også deres romlige og tidsmessige utforming
.


Et komplekst, velorganisert mesterstykke
Over flere av de senere årene, har biokjemiske minimalister, i likhet med deres kunstneriske analoge, forsøkt å strippe livet for dets overflødige systemer, så vitenskapelige tilskuere kan betrakte livet i dets rene essens. Selv om det ennå foregår i dannelses-perioden, har bestebelsene vært ganske suksessrike. Forskere snevrer inne på minimums-antall av gener og essensielle biokjemiske systemer for livet i dets varierte mikro-former. Det mest slående ved disse foreløpige resultatene er deres forunderlige kompleksitet. Det synes å være en nedre grense på flere hundre gener, som livet ikke kan pushes under, og ennå gjenkjennes som 'liv'. I Darwins Black Box, argumenterte biokjemiker M. Behe at individuelle biokjemiske systemer er ikke-reduserbart komplekse. (39) Den initielle innsikten i det minimale livets kompleksitet, indikerer at det ikke bare er individuelle biokjemiske systemer, men livet selv, som er ikke-reduserbart komplekst. Systemer produsert av menneskelige designere, er ofte ikke-reduserbart komplekse. Det er et kjennetegn på intelligent design.

Behe kommer med den kraftfulle påstanden at ikke-reduserbar kompleksitet ikke kan dukke opp ved ikke-styrte, stegvise prosesser. Det samme gjelder det utrolig komplekse minimalistiske livet: Det er vanskelig å forestille seg hvordan endog de enkleste livsformer, kan ha blitt til via naturlige, evolusjonære prosesser. Den samme konklusjon kommer forfatteren og Hugh Ross (astronom) til i 'Origins of Life'. Det skjer ved å betrakte sannsynligheten for at det essensielle gen-settet samtidig skulle komme til eksistens. I følge den analysen er det super-astronomisk usannsynlig at det essensielle gen-settet skulle ha kommet til eksistens samtidig gjennom naturlige mekanismer. (40) Det ville ikke være nok tidsressurser i løpet av universets historie, til å danne livet i dets enkleste form via noen evolusjonær prosess.
Vanlig erfaring viser at det krever omtanke og hensikts-styrt anstrengelse å nøyaktig organisere et rom for funksjonelt bruk. Til sammenligning taler den omfattende avdelings-oppdeling og regulering i prokaryote celler om intelligent design. I stedet for å ligne en førskole-elevs håndmaling, beskrives det indre av prokaryote celler best som en nøyaktig planlagt og fantastisk utført stykke kunst. Ett som mesterlig fremviser livets mest grunnleggende prosesser, i levende farger. Å rippe opp i dette arrangementet, er ofte dødelig. Å hevde at dette er blitt til kun som følge av naturlige prosesser, er en fornærmelse mot kunstneren (siste argument er fra John Lennox).

 

Utvalg og bilder ved Asbjørn E. Lund