인생은 어떻게 지구에서 시작 되었습니까? 그것은 모든 과학에서 가장 크고 가장 오래된 신비 중 하나이며, 그것을 해결하기위한 단서는 우리 주변에 있습니다. 생물 학자들은 때때로 진화론 적 역사를 기록 된“생명의 테이프”로 상상했으며, 이는 반복해서 재생되면 다르게 나올 수 있습니다. 이 에피소드에서 Steven Strogatz는 테이프의 다른 부분을 검사하는 두 명의 연구원과 이야기합니다. 먼저, 시안화물로 묶인 끓는 수영장이 RNA 및 DNA와 같은 필수 수명 요소를 어떻게 야기 할 수 있었는지 탐구하는 노벨상을 수상한 생물 학자 Jack Szostak의 의견을 들으십시오. 그런 다음 고대 유전자를 부활시키기 위해 고생물학 주의자이자 우주 생물학자인 Betül Kaçar의 의견을 들으십시오.
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전 사체
Steven Strogatz (00:02) :저는 Steve Strogatz입니다. 이것이 왜 의 기쁨입니다. , Quanta Magazine 의 팟 캐스트 그것은 오늘날 과학과 수학에서 가장 큰 답변이없는 질문으로 당신을 안내합니다. 이 에피소드에서 우리는 삶의 기원에 대한 최선의 현재 이해를 살펴볼 것입니다. 삶은 지구에서 어떻게 시작 되었습니까?
(00:21) 찰스 다윈 (Charles Darwin)이 한때 추측 한 것처럼 어딘가에 따뜻한 작은 연못에서 인생이 시작 되었습니까? 섬세한 생물학을 쉽게 파악할 수있는 양육되고지지적인 장소의 종류는? 또는 일부 과학자들이 제안한 것처럼,보다 반 직관적으로, 생명은 바다에서, 열수 통풍구 근처에서, 압력이 거대하고 온도가 두근 거리는 겉보기에 끔찍한 곳 인 겉보기에 깊은 곳을 시작 했습니까? 그리고 인생이 시작된 곳마다 생명의 가장 빠른 빌딩 블록은 무엇입니까? 그들은 오늘날 우리가 RNA와 DNA, 아미노산, 지질 등에 대해 너무 많이 듣는 분자였습니까? 아니면 훨씬 더 간단한 것이 있습니까? 지난 몇 년 동안 몇 가지 중요한 단서가 나타났습니다. 이런 종류의 질문에 대한 대가는 지구에서 인생이 시작되었는지 이해하는 것뿐만 아니라 다른 행성에서의 삶을 찾는 데 도움이되고, 우리가 우주에서 혼자 있는지 알아내는 데 도움이 될 것입니다.
(01:17)이 모든 것을 논의하기 위해 저와 함께 Jack Szostak입니다. Jack은 Harvard University의 화학 및 화학 생물학 교수, Harvard Medical School의 유전학 교수이자 Mass General Hospital의 분자 생물학과 연구원입니다. 그는 2009 년에 염색체가 분해되는 것을 막는 효소 인 Telomerase의 발견에 관한 작업으로 노벨상을 공유했습니다. 나중에, 우리는 매디슨 위스콘신 대학교 (University of Wisconsin)의 세균학 조교수 인 Betül Kaçar와 함께 할 것입니다. Jack Szostak, 오늘 우리와 함께 해주셔서 감사합니다.
Jack Szostak (01:53) :여기에 데려다 주셔서 감사합니다.
strogatz (01:55) :생명의 기원에 대한 질문으로 시작하겠습니다. 내가 말했듯이, 그것은 모든 과학에서 가장 큰 미스터리 중 하나이며 해결하려는 시도는 모든 시간의 가장 위대한 탐정 이야기 중 하나 인 것 같습니다. 지구에서 인생이 어떻게 시작되었는지에 대한 최선의 추측은 무엇입니까?
szostak (02:09) :알았어. 그래서 우리는 지구 표면의 일부 환경, RNA의 빌딩 블록이 생물학과 관련된 지질 및 기타 분자와 함께 만들어지고 축적 된 얕은 호수 또는 연못에 대해 생각해야한다고 생각합니다. 그런 다음 RNA가 태양으로부터의 에너지에 의해 구동되기 시작할 수있는 조건 하에서 RNA를 캡슐화하는 지질 소포로 자체 조립 하였다. 그리고 그것은 다윈의 진화가 시작될 수있게 해줄 것입니다. 따라서 프로토 셀에 유용한 일을 한 일부 RNA 서열이 이점을 부여 할 수 있도록, 그 프로토 셀은 인구를 인수하기 시작할 것입니다. 그리고 당신은 벗어나고 달리고 있으며, 인생은 점차 복잡해지고 다른 환경으로 퍼지도록 진화 할 수 있습니다.
strogatz (03:01) :그러나 일부 시나리오는 무엇입니까? 알다시피, 우리에게 생각할 구체적인 무언가를주기 위해. 나는 고등학교 생물학을 택하는 아이로서 기억합니다. 우리 모두 Stanley Miller와 Miller-Urey 실험에 대해 들었습니다. 왜 먼저 상기시키지 마십시오.이 질문들 중 일부에 대한 과학적 조사가 시작된 곳은 어디입니까? 그것으로, 아니면 우리가보아야 할 일이 더 오래 있습니까?
szostak (03:22) :글쎄, 그것은 확실히 혁명적 인 랜드 마크였다. 나는 그것이 그런 스플래시를 만들었다는 것을 의미한다. 당신은 아미노산, 단백질의 빌딩 블록을 만들 수 있다는 생각은 겉보기에 간단한 방식으로 사람들에게 계시였으며, 많은 관심을 자극했습니다. Stanley는 Harold Urey의 실험실에있는 시카고 대학교에서 대학원생이었습니다. 물론 Urey는 중수소 등과 같은 수소의 동위 원소를 발견 한 노벨상을 수상한 과학자였습니다. 내가 이해하는 방식은 스탠리가 초기 지구의 분위기로 생각했던 것을 모방하려고한다고 말했습니다. 따라서 수소, 암모니아, 메탄, 물, 그와 같은 것들 - 스파크 배출 형태로 어떤 에너지로 폭발하고 무슨 일이 있었는지 보았습니다. 그리고 그의 고문은 그에게 그렇게하지 말라고 말했습니다. 그것은 결코 효과가 없을 것입니다. 그리고 물론 그랬습니다. 그것은 큰 성공이었고 모든 종류의 흥미로운 분자가 만들어졌습니다.
자, 그렇습니다. 더주의 깊게보기 시작할 때, 70 년의 뒷받침의 이점으로, 우리가 실제로 만들어진 것은 당신이 원하는 분자 일뿐 만 아니라 수천 또는 수천 명의 다른 화학 물질과 혼합 된 아미노산의 흔적이라는 것입니다. 그리고 주요 빌딩 블록 중 일부는 전혀 존재하지 않습니다. 따라서 인생을 시작하기 위해 화학을하는 올바른 방법이 아니라는 신호입니다.
strogatz (05:02) :좋아요. 알다시피, 당신은 RNA 세계를 언급했습니다. 그것이 우리 이야기의 다음 큰 개념입니까? 또는 또는 RNA 세계와 Miller-ley 사이에 무언가가있을 수 있습니다.
szostak (05:12) :수십 년 동안, 삶의 기원에 대한 생각은 혼란 스러웠습니다. 현대 생활의 모든 것이 다른 모든 것에 의존하기 때문입니다. 따라서 DNA가 RNA와 단백질의 서열을 암호화하지만 DNA를 복제하려면 단백질이 필요합니다. 그리고 DNA를 RNA로 전사하려면 단백질을 만들려면 RNA가 필요합니다. 따라서 시스템의 모든 부분에는 다른 모든 부분이 필요합니다. 그래서 그것은 일종의 논리적 수수께끼였습니다. 그리고 그에 대한 해결책은 소위 RNA 세계 아이디어와 함께 제공되었는데,이 아이디어는 원래 프랜시스 크릭 (Francis Crick)과 같은 매우 똑똑한 사람들과 60 년대 후반의 레슬리 오르겔 (Leslie Orgel)이 RNA가 효소로 작용하는 능력을 가졌다는 아이디어와 함께 가정했다.
. .strogatz (05:58) :RNA가 정보를 가지고 다닐 수 있다는 생각뿐만 아니라 복제에 도움이되는 효소가 될 수 있다는 생각. 나는 몰랐다 - 그것은 실험실에서 발견되기 전에 가설이었다.
szostak (06:09) :맞습니다. 그래서 그것은 TRNA의 구조가 나왔을 때 60 년대 후반에 제시되었으며, 처음으로 RNA가 이러한 복잡한 3 차원 모양으로 접을 수 있음을 알 수있었습니다. 촉매 센터를 건설하기 위해서는 그것이 당신이 필요로하는 것입니다.
strogatz (06:25) :그러나 당신은 TRNA가 발견 한 것을 발견 한 후에 나온이 예측이 있다고 말하고있었습니다. 그래서 당신은 고등학교 생물학에 약간 흐릿한 사람들을 위해 그것에 대해 조금 생각 나게 할 것입니다. trna는 무엇입니까, 우리를 위해 무엇을하고 있습니까?
szostak (06:40) :좋아, 따라서 TRNA는 전이 RNA가 짧다. 약 70 또는 80 뉴클레오티드 길이의 비교적 짧은 RNA 분자 세트이며, 리보솜에 아미노산을 운반합니다. 그런 다음 리보솜의 촉매 기계는 TRNA에서 아미노산을 가져와 성장하는 펩티드 사슬로 조립합니다. 따라서 단백질을 만드는 데 RNA에 대한 많은 역할이 있습니다. 아미노산에 가져 오는 trna가 있고, 리보솜의 RNA 성분이 있으며, 실제로 모든 것을 조정하고 촉매 작용을합니다. 물론 메신저 RNA가 있습니다. 이제 모든 사람들이 요즘 메신저 RNA에 대해 알고 있다고 생각합니다.
strogatz (07:24) :우리는 Moderna 및 Pfizer와 같은 mRNA 백신이 있기 때문에 맞습니다. 오른쪽. 그래서 우리는이 세 가지 흥미로운 역할, Messenger RNA, Transfer RNA 및 RNA로 구축 된 리보솜 자체를 얻었습니다. 우리가 단서에 대해 이야기하고 있기 때문에 이것은 단서의 일부입니다. 그것은 RNA가 매우 기본적이라는 것을 암시합니다.
szostak (07:43) :그렇습니다. 리보솜의 결정 구조가 해결되면 실제로 촉매 부위를 볼 수 있습니다. RNA가 단백질을 만드는 것이 분명합니다. 따라서 논리적으로, 당신은 이런 종류의 자기 참조 루프에서 벗어나고, 초기 형태의 삶의 형태가 RNA를 그들의 유전자 물질로 사용했다는 생각 만 있으면됩니다. 또한 RNA를 촉매 물질로 사용했습니다. 그래서 그들의 효소는 RNA로 만들어졌다. 그래서 지금, 문제는 훨씬 간단합니다. 화학에서 간단한 RNA 기반 세포로가는 방법을 알고 있거나 알아 내야합니다.
strogatz (08:26) :이것은 훌륭합니다. 그래서, 셜록, 당신은 우리를 우리를 데려 왔는데, 지금 우리는 지금 우리가 정말로 중요한 용의자를 얻었습니다.
szostak (08:38) :RNA를 얻는 방법을 알아 내야합니다. 그리고 그것은 그렇게 쉽지 않습니다.
strogatz (08:44) :아하. 그리고 특히 Stanley Miller의 번개 스파크에 나타난 것은 아닙니다. 내가 기억하는 것처럼 그들은 그 실험에서 RNA를 전혀 생산하지 않았다.
szostak (08:55) :맞습니다. 그러나 실제로는 시안화물이 Miller-erey 유형 실험에서 시안화되고 시안화물은 아데닌으로 상당히 쉽게 조립되기 때문에 아데닌과 같은 일부 성분이있을 수 있습니다. 그러나 다른 많은 빌딩 블록은 만들기가 더 어렵습니다.
strogatz (09:14) :글쎄, 아마도 시안화물에 대해 이야기해야 할 것입니다. 나는 시안화물이 당신이 사람들을 죽이는 방법이라고 생각하면서 이것을 듣는 많은 사람들이 끔찍할 것이라고 확신합니다.
szostak (09:22) :나는 그것이 전체 분야의 사랑스러운 아이러니 중 하나라고 생각합니다. 생명의 모든 분자를 구축하는 가장 좋은 출발 재료는 시안화물로 밝혀졌습니다.
strogatz (09:31) :이것은 놀랍습니다. 좋아, 이에 대해 더 알려주세요.
szostak (09:34) :그래서, 나는 실제로 60 년대 또는 70 년대로 돌아가서 시안화물이 스스로 반응하기 시작할 때 매우 풍부한 화학을 가지고 있다고 생각했습니다. 그리고 조안 오루 (Joan Oró)의 주요 실험이 있었는데, 시안화물이 아데닌을 상당히 효율적으로 만들기 위해 조립할 수 있음을 보여 주었다. 그리고 많은 사람들이 시안화물 및 관련 화합물에서 시작하여 RNA의 다른 빌딩 블록에 도착하는 방법을 연구했습니다.
(10:06) 시안화물의 문제 중 하나는 대기에서 시안화물을 만들 수 있지만 매우 희석 된 용액으로 표면에 비가 내릴 것입니다. 그리고 그것은 그다지 도움이되지 않습니다. 집중하고 저장하는 방법이 필요합니다. 그리고 그것은 실제로 매우 놀랍고 간단하며 효과적인 솔루션을 가지고있는 것입니다. 즉, 철분으로 시안화물을 포착하여 페로 시아 나이트 (Ferrocyanide)라는 매우 안전한 비 독성 화합물을 만들 수 있습니다. 그러면 특정 종류의 호수에서 페로시아 나이드는 시간이 지남에 따라 축적 될 수 있습니다.
(10:44) 그래서 철은 지하수에서 나옵니다. 시안화물은 대기에서 나옵니다. 그들은 아마도 얕은 호수, 연못 등을 결합합니다. 시안화물의 일부 염은 침전물을 퇴치하고 일종의 퇴적물로 쌓을 수 있습니다. 어쨌든, 그게 아이디어입니다. 그래서 당신은 농축 시안화물의 거대한 저수지를 가지고 있습니다.
strogatz (11:06) :mm. 그래서 이것은 실제로 다윈의 작은 연못과 그리 멀지 않습니다.
szostak (11:11) :아이디어는 이제 페로 시아 나이트 형태로 시안화물의 견고한 저장소를 가지고 있다는 것입니다. 그러나 지금, 당신은 어떻게 화학을 할 수 있습니까? 따라서 다른 시나리오가 있지만 기본적으로 가열하면 운석에 영향을 미치거나 용암이 흐르는 경우 기본적으로 페로 시아 나이트를 더 반응하는 다양한 화합물로 변형시킬 수 있습니다. 그리고 이제 더 복잡한 분자를 구축 할 수 있습니다.
strogatz (11:44) :그래서 그것은 단지 태양이 빛나는 문제가 아니라 폭력적인 무언가가 필요하다고 말하고 있습니다. 당신은 유성이 맞거나 혜성 등에 대해 이야기하고 있습니다.
szostak (11:53) :예, 또는 화산 - 예, 우리는 환경이 매우 화산 적으로 활동적이라고 생각합니다. 따라서 용암 흐름은 매우 일반적 일 것입니다. 페로 시아 나이트를 변형시킬 수 있습니다. 그렇습니다. 나중에, 상황이 식고 비가 내리고 비가 내리고이 화합물을 다시 녹여 얕은 호수, 연못으로 녹입니다. 이제 우리는 다윈의 따뜻한 작은 연못에 조금 더 가깝습니다. 그리고 이제 햇빛은 중요한 역할을합니다. 왜냐하면 적어도 서덜랜드 화학에서 필요한 많은 광화학 반응이 뉴클레오티드, 아미노산, 지질 수준까지 당신을 데려 오기 때문입니다. [ 편집자 주 :Szostak은 을 언급하고 있습니다 프리 바이오 틱 화학에 대한 이론 John Sutherland 분자 생물학 및 기타 의료 연구위원회 연구소의 ] 그러나 본질적으로 아이디어는 시안화물 에서이 모든 화합물을 만드는 것입니다.
strogatz (11:54) :HM. 믿을 수 없는. 아마도 우리는 시안화물 세계를 가지고 있었기 때문에이 주제로 돌아와야 할 것입니다. 어떻게 든 RNA 세계로 올라갈 수 있습니다.
szostak (12:51) :RNA의 4 개의 빌딩 블록 중 2 개로가는 경로가 90%가 해결되었다고 생각합니까? 그리고 나는 가장 큰 단계 중 하나라고 말하고 싶습니다. 우리는 햇빛 으로부터이 모든 에너지를 가지고 있습니까? 그러나 문제는 어떻게이 빌딩 블록을 긴 RNA 사슬에 응축시키기 위해 이러한 빌딩 블록을 유도 할 수있는 일종의 화학 에너지 인 에너지를 어떻게 유용한 에너지로 바꾸는가? 나는 우리 모두가 해결되지 않았다는 데 동의 할 것이라고 생각합니다.
strogatz (13:25) :그래서, 당신은 우리에게 RNA의 미덕에 대해 일종의 트리플 위협,이 모든 일들이 현대 생물학에서하는 일을 많이 이야기했습니다. 그러나 더 유명한 사촌 DNA에 대해 듣지 못하는 것은 약간 놀랍습니다. 초기 생애 동안 RNA에 비해 DNA에 문제가 있습니까?
szostak (13:41) :실제로 매우 흥미로운 질문입니다. 우리는 현대 세포에서 RNA의 역할, RNA 촉매, RNA 촉매에 대해 생각하고 있었기 때문에 인생은 RNA로 시작했다고 생각했습니다. 그러나 최근에 나온 화학의 단서가 있으며 RNA와 DNA의 빌딩 블록이 동시에 같은 장소에서 같은 환경에서 나란히 만들어 졌을 수 있음을 시사합니다. 따라서, 한 가지 가능성은 초기 유전 물질이 실제로 RNA와 DNA의 일종의 혼합 공중 합체 였을 것입니다. 우리의 실험은 RNA-copying 화학이 DNA를 복사하는 것과 동일한 반응보다 빠르기 때문에 RNA가 DNA를 조기에 발전시킬 것이라고 생각하지만 이것은 매우 활발한 연구 영역입니다. 많은 사람들이 이것에 대해 노력하고 있으며, 합성 경로는 여전히 해결되고 있습니다.
strogatz (14:41) :이전에, 당신은 또 다른 중요한 단서를 언급했습니다.이 단서는 현대의 막이 종종 지질로 만들어 졌을 것입니다. 그래서 우리는 문제의 그 측면, 당신이 세포 나 프로토 셀의 초기 생성에서 언급 한 구획화에 대해 이야기해야합니다.
szostak (15:03) :우리가 현대 생물학을 보면, 세포는 막에 의해 제한되어 있으며, 그것들은 매우 복잡한 구조 인 경향이 있습니다. 현대 막을 형성하는 지질 인 분자는 비교적 복잡한 분자 - 인지질 및 전체 범위의 관련 분자입니다. 그러나 훨씬 간단한 분자에서 매우 유사한 막을 만들 수 있습니다. 지방산과 같은 것, 기본적으로 비누. 나는 그것이 간단한 빌딩 블록에서 원시 구획을 만들기 위해 필요한 멤브레인을 만들 수 있다는 것이 매우 매력적이라고 생각합니다.
.strogatz (15:39) :그래서, 나는 전체 세포의 수준에서, 또는이 protocell이 그 시점에서 어떻게 일어날 지 이해하지 못한다고 생각합니다.
.szostak (15:47) :좋아, 우리가 어디에 있는지 말할 수 있습니다. 그래서 몇 년 전, 우리는 이러한 원시 막, 지방산 막이 자라서 분열하는 방법을 찾았습니다. 그들은 더 많은 지방산을 먹기 쉽습니다. 그리고 그것들을 분열시키는 데별로 걸리지 않습니다. 예를 들어, 부드러운 흔들림이 그렇게 할 것입니다. 반면에, RNA 서열을 복제하는 것은 훨씬 더 어려운 문제이다. 그래서 우리는 현재 실험실에서 그에 초점을 맞추고 있습니다. 우리는 RNA 서열을 복사하는 데 더 나아지고 있습니다. 즉, RNA가 하나가 있다면 상보 적 가닥을 구축하기 위해 템플릿으로 사용할 수 있으며 RNA 이중 나선을 제외하고 DNA의 이중 나선과 같은 이중 나선을 얻을 수 있습니다. 그러나 큰 문제는 그 가닥을 분리하고 사본을 복사 한 다음 사본을 복사하는 방법입니다. 그리고 우리는 그것을하는 방법에 대한 아이디어가 있지만 아직 거기에 도착하지 않았습니다. 그것은 다음 몇 년 동안 큰 도전입니다.
strogatz (16:53) :잭. 이것은 정말 흥미로 웠습니다. 오늘 우리와 함께 할 시간을 보내 주셔서 감사합니다.
szostak (16:59) :감사합니다, Steve. 내 기쁨이었습니다. 삶의 기원에 대해 이야기하면서, 그것은 내가 가장 좋아하는 주제이므로, 그것에 대해 이야기하게되어 기쁩니다.
아나운서 (17:09) :수학, 물리, 컴퓨터 과학 및 생물학의 국경에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알고 싶습니까? Quanta Magazine 과 얽히십시오 , The Simons Foundation이 지원하는 편집 적으로 독립적 인 간행물. 우리의 사명은 공공 서비스 저널리즘을 통해 기초 과학 및 수학 연구를 조명하는 것입니다. Quantamagazine.org를 방문하십시오.
strogatz (17:36) :Jack Szostak은 화학, 물리학 및 지질학에서 비 생명에서 삶이 어떻게 나타날 수 있었는지 이해하려고 노력하고 있습니다. 인생이 존재하기 전에 처음부터 시작하여 테이프를 앞으로 달려 가려고 노력하여 인생이 어떻게 시작되었는지를 확인하는 것과 같습니다. 그러나 반대 전략을 시도하는 과학자들도 있습니다. 그들은 오늘날의 삶에 대해 우리가 알고있는 것으로 시작하여 진화를 사용하여 수십억 년 전에 시간을 거슬러 올라가기 위해 테이프를 뒤로 실행하려고 노력합니다. 그들이 목재를 만들기 위해 화석을 사용하지 않는 것을 제외하고는 생명 나무를 만들지 않습니다. 그들은 DNA와 같은 분자를 그들의 단서로 사용하고 있습니다.
지금 저와 함께하는 것은 Betül Kaçar입니다. 그녀는 세균학과의 매디슨 위스콘신 대학교 조교수입니다. 그녀는 또한 주요 NASA가 지원하는 우주 생물학 연구 이니셔티브 인 Project Muse의 주요 수사관이기도합니다. Betül Kaçar, 여기와 주셔서 대단히 감사합니다.
Betül Kaçar (18:33) :나에게 감사합니다.
strogatz (18:34) :나는 당신과 이야기하게되어 매우 기쁩니다. 나는 당신의 일을 좋아합니다. 그리고 우리가 당신이 우리에게 답을 찾는 당신의 접근에 대해 조금 말해 줄 수 있는지 궁금합니다. 어떤 종류의 단서를 찾고 있습니까?
kaçar (18:48) :우리는 초기 수명을 이해하는 데 관심이 있습니다. 당신이 그것에 대해 생각한다면, 인생의 기원과 초기 진화는 우리 주변의 복잡한 모든 것에 대한 청사진을 만들었습니다. 우리는 그 청사진을 이해하는 데 관심이 있습니다. 우리는 특히 중요한 신진 대사, 필수 반응 및 필수 생물학적 과정에 중점을 두어이 행성의 삶의 역사를 추적하기 위해 현대의 생물학적 정보를 사용합니다. 우리는 그들이 어떻게 나타 났는지 이해하려고 노력하고 있습니다. 어떻게 번성 했습니까? 그들은 어떤면 에서도이 행성의 삶의 분위기를 어떻게 설정 했습니까?
strogatz (19:29) :오늘날 살아있는 것들의 신진 대사에서 단서가 오늘날 우리 주변에 누워 있다는 것은 멋진 생각입니다. 그러나 어떻게 든 그 정보를 사용하여 수십억 년을 거슬러 올라갈 수 있습니까?
kaçar (19:41) :예, 그래서 우리는 현재의 살아있는 유기체가 서로 공유하는 공통점을 이해하려고 노력합니까? 당신은 이것을 모든 삶의 영역에 존재하는 모든 신진 대사의 벤 다이어그램으로 생각할 수도 있습니다. 그리고 우리는 오늘날 살아있는 유기체들 사이에서 공통적 인 것이 무엇인지, 그리고 수십억 년 전에 초기에 존재했던 공유 과정으로 할당 할 수 있는지 이해하려고 노력합니다. 이것이 우리가 생각하는 일종의 시작 가정입니다. 그리고 처음에는 초기 생애를 공부하는 것이 많은 가정을 만드는 데 의존한다는 사실을 공개적으로 말해야합니다. 아무도 확인란을 가지고 있지 않았고, 아무도 돌아가서 모든 것을 녹음하고 오늘 다시 가져 오는 보드가 없었습니다. 그리고 우리는 과거를 이해하기 위해 어떤 종류의 가정을하는지 매우 조심합니다. 이것은 매우 어려운 일입니다. 우리는 이러한 과정의 단서가 지워졌다는 것을 알아 내려고 노력하고 있습니다. 그래서 그것은 과거를 바라 보는 일종의 셜록 홈즈 방법이며, 도전 자체가 매우 흥미 진진하게 생각합니다.
.strogatz (20:47) :환상적입니다. 나는 그 비유를 좋아합니다. 완벽합니다. 셜록 홈즈와 같습니다. 연역적 추론이 있기 때문에 내 말은. 단서가 있지만 그들은 불완전합니다. 당신은 몇 가지 가정, 좋은 추측을해야합니다.
kaçar (20:58) :정확히. 나는 실제로 항상 고고학자가되고 싶었습니다. 그리고 나는 그 꿈을 성취 한 것 같은 느낌이 든다.
strogatz (21:04) :흥미 롭습니다. 그래서 당신은 분자 또는 생물학적 고고학자 같은 것과 같습니다.
kaçar (21:09) :당신은 간다. 고생물학 주의자. 그래서 이것은 내가 어린 시절의 꿈에 도달 할 수있는 가장 가까운 것입니다.
strogatz (21:14) :셜록 홈즈를 언급합니다. 다른 인터뷰에서 당신이하고있는 일이 잠자는 숲속의 미녀를 깨우는 것 같은 느낌이 들었다고 들었습니다.
kaçar (21:24) :예, 그들 중 일부는 아름답고 일부는 매우 못 생겼습니다.
strogatz (21:27) :그들 누구? 그들은 무엇입니까?
kaçar (21:29) :단백질과 때로는 네트워크가 현재로 가져 오면 단순히 여기에 있기를 원하지 않습니다. 즉, 실험적으로, 우리는 실험실에서 연구하는 데 관심이 있으며, 정화 할 수있는 능력, 처음에는 합성 능력, 특성화 능력 측면에서 도전을 증가시킬 수 있습니다. 이것은 오늘날의 현대 단백질조차도 어려운 문제입니다. 그리고 우리가 수학적 모델과 진화 모델 및 많은 추론을 사용하여 생성하는 조상 DNA를 다루고, 현대 유기체를 숙주로 사용하여 합성하여 실험실에서 생성하여 전반적으로 단백질 생화 화학 문제에 또 다른 도전 층을 추가합니다. 그들은 우리에게 거의 외계인입니다. 따라서 생각하면 외계인 분자의 형태를 다루고 있다고 말하는 것이 안전합니다. 이 행성에 한 번 존재했던 과거의 조각.
strogatz (22:25) :예, 우리가 지금 말하는 것처럼 나에게 발생합니다. 아마도 당신이 우리를 안내해야 할 몇 가지 단계가 있습니다. 몇 분 전에, 당신은 오늘날 대사와 관련된 분자에 대해 생각한다고 말했습니다. 또는 정보 분자, RNA 및 DNA 및 그런 것들 일 수 있다고 생각합니다. 그리고 당신은 일종의 생명 나무 나 일부의 분자 나무를 통해 재구성하려고 시도합니다. 다른 분야에서 언어학 자들은 오늘날 언어를보고 프랑스어, 스페인어, 독일어, 터키어를보고 그들이 진화 한 언어를 재구성하려고 시도합니다. 그리고 언어 학자들은 더 이상 지구상에서 말하지 않는 고대 언어가 있다고 생각한다는 것을 알고 있습니다. 오늘날 유럽의 많은 언어들에게 일종의 조상 언어로 생각되는 인도-유럽 (Indo-European)이라는 것이 있습니다. 그러나 그것은 가상적이며 오늘날 인도 유럽의 화자는 없습니다. 당신이 당신의 과정이 언어보다는 분자를 제외하고는 다소 비슷하다고 말할 것인지 궁금합니다.
kaçar (23:25) :매우 비슷합니다. 우리는 삶의 언어, 아미노산, DNA 및 단백질 형태로 자신을 표현하는 방법에 초점을 맞추고 있습니다. 그리고 우리는 인생의 언어 (DNA와 아미노산, 실제로 유전자와 그 제품, 단백질)를 사용하여 과거를 처음에 재구성하려고 노력합니다. 이것은 언어 학자들이하는 것과 매우 유사합니다. 언어 학자들은 고대 언어를 부활 시키지만, 고대 언어를 사용하는 문화를 이해하려고 노력하고, 어떻게 살아남 았는지, 매일 어떤 도구를 얻었는지, 그리고 우리가하려는 것과 매우 유사합니다. 우리는 삶의 초기 문화를 이해하기 위해 삶의 언어를 재구성하려고 노력하고 있습니다.
strogatz (24:12) :여기서 보자. 당신은 조상 언어와 유사한이 조상 분자에 대한 정보를 얻습니다. 정확히 무엇을합니까? 당신이 가지고있는 분자들에 대해 알려주십시오. 당신의 멋진 말을 사용하고 부활합니다.
kaçar (24:27) :우리는 우리가 그들의 존재를 생명의 기원이나 적어도 첫 번째 삶으로 되돌릴 것이라고 생각하는 분자에 초점을 맞추려고 노력합니다. 그래서 우리는 이것이 필수적이고 실제로 고대 분자라고 생각하는 경향이 있습니다. 그들이 오늘날 우리가 알고있는 모든 생명과 공유된다면, 우리는 그들이 존재 했어야했거나 그 분자의 버전이 수십억 년 전에 존재했을 것이라고 가정합니다. 그러나 이제 우리 주변의 개선 된 컴퓨팅 및 수학적, 진화론 적 모델링과 개선 된 시퀀스 가용성으로 인해 고대 DNA 서열을 부활시키기 위해 시도하고 수행 할 수 있습니다. 그리고 저는 수십억 년, 10 억 명의 유전자 서열에 대해 이야기하고 있습니다.
따라서 이것들은 영구 동토층에서 나오는 고대 DNA 서열이 아닙니다. 이들은 35 억 년이 된 유추 된 서열입니다. 그리고 우리는 컴퓨터에서 예측을하면 실험실에서 이러한 유전자를 합성합니다. 그래서 우리는 그것들을 현재로 데려옵니다. 그리고 우리는이 분자들에게 묻습니다. 알겠습니다. 당신이 어디에 살았는지 알려주세요. 당신이 선호하는 것에 대해 알려주십시오.
strogatz (25:38) :글쎄, 당신은 알다시피, 이것을 듣는 많은 사람들이 Jurassic Park 을 생각할 것입니다. . 그리고 당신은 아마도 사람들이 당신에게 그것에 대해 물었습니다.
kaçar (25:45) :여기서 주요 차이점은 우리가 고대 유기체를 다루지 않는다는 것입니다. 그러나 우리는 현대 유기체 내부에서 엔지니어링하는 조각을 다루고 있기 때문에 반대입니다. 따라서 우리는 어떤 식 으로든 고대 유기체 나 유물을 다루지 않습니다. 특히 우리는 수십억 년에 걸쳐 스스로를 작동시킨 분자를 다루고 있기 때문에 어쨌든 바위에서 잘 보존되지 않은 DNA를 추출 할 수 없습니다.
.strogatz (26:13) :분자에 대해 좀 더 구체적으로 설명합시다. 그래서 몇 년 전, 1960 년대 후반, 리보솜 RNA와 같이 다시 사용하고있는 Carl Woese의 작품에 대해 배우는 것을 기억합니다. 모두 리보솜이 있어야합니까?
kaçar (26:30) :예. 그건 그렇고 놀라운 일이 아니십니까?
strogatz (26:35) :맞아요, 우리 모두가 그들을 얻었습니다! 박테리아, 사람, 코끼리, 생쥐.
kaçar (26:38) :네, 우리 모두 가이 가공 센터와 함께 걸어 다니는 유기농 컴퓨터와 같은 많은 유기농 컴퓨터와 같은 리보솜으로 생각하는 것은 RNA의 형태로 공급되는 정보를 처리하는 것입니다. 어떤 사람들은 우주에 유사한 정보 처리 센터가없는 삶의 형태가 없을 수도 있다고 말할 수도 있습니다. 리보솜과 같은 것은 모든 생명의 보편적 인 속성 인 기초 여야합니다.
strogatz (27:23) :나는 당신이 방금 사용했던이 단어에 정말 충격을 받았습니다. 유기농 컴퓨터를 말했습니다. 그러나 리보솜이 번역하는 유기 컴퓨터라는 말을 생생하게 들으려면 RNA와 같은 입력, 일부 정보 분자를 취한 다음 신체가 필요한 모든 것을 수행하는 단백질과 같은 출력을 생성합니다. 나는 그 은유, 또는 그 비유를 좋아합니다.
kaçar (27:46) 그것은 인생의 전공 중 하나이자 아마도 첫 발명품 일 것입니다. 아마도 거의 혁명 일 것입니다. 그럼에도 불구하고 우리는 이것이 어떻게 일어 났는지 모릅니다. 그래서 우리가 지금 초기 생애를 공부하는 이유를 알 수 있습니까? 이것이 제가 인생의 청사진이 의미하는 바입니다.이 발명품, 분자 수준의 혁명은 오늘날 우리 주변에서 수십억 년 전에 우리 주변의 분위기를 설정했다.
.따라서 우리가 겪고있는 모든 Eon과 생물학적 시스템으로서 우리의 생물학적 인 모든 것은 수십억 년 전에 일어난 혁명에 달려 있습니다. 리보솜은 인생의 문제 해결 기술의 핵심에서 주요 처리 센터로 볼 수 있습니다. RNA를 결합하고 RNA 의존적 효소를 결합하고 단백질을 결합하기 때문에 RNA 세계와 복잡한 세포 시스템 사이에 멋진 다리를 만듭니다. 그래서 그것은 우리가 인생의 새벽에 일찍 존재했다고 생각하는 모든 것들이 있습니다.
strogatz (27:46) :우리가 우주의 다른 곳에서 생명을 찾는다면, 당신은 리보솜과 비슷한 것이있을 것이라고 생각합니다. 반드시 같은 화학을 가진 우리의 일 필요는 없습니다. 그러나 당신은 지구상에서 리보솜이 여기에서하는 역할을하는 것이 있어야한다고 생각합니다.
kaçar (29:06) :나는 그렇게 생각할 것입니다. 살아있는 시스템이나 생활처럼 행동하거나 생명과 같은 시스템이 자신의 환경을 감지하고 처리 할 수 있다고 생각하기 때문입니다. 화학적 수준에서, 나는 번역과 같은 것이 우리가 그것을 번역이라고 부르는 것을 좋아하고, 환경의 언어를 삶의 언어로 번역하는 것입니다. 필요한 구성 요소 중 하나 여야합니다. 그래서 우리가 지구 밖에서, 다른 곳에서 생명을 찾으려면 아마 리보솜과 같은 것을 가질 것이라고 주장 할 것입니다.
strogatz (29:39) :나는 우리가 여전히 당신의 일, 부활 문제에 대해 조금 더 구체적으로 이야기해야한다고 생각합니다. 당신의 작업에서 실제로 조상 리보솜 RNA를 재구성합니까? 또는 무엇 - 어떤 분자를 말해봐, 나는 당신이 이것에 대해 말할 때 당신이 무슨 뜻인지 알지 못합니다.
kaçar (29:56) :우리 실험실은 관심이 있습니다 - 우리는 인생이 먼저 이해하거나 이해하려고 노력하는 것, 인생이 길쭉한 방법을 배웠으며,이 신장 단계에서 단백질이 수십억 년 전에 한 일을 배웠습니다. 그래서 그것은 나의 첫 번째 -
였습니다strogatz (30:10) :1 초를 붙잡고 있습니다. 그래서 우리는 A에 대해 A, 무엇을, DNA 폴리머입니까? 또는 RNA 또는 무엇?
kaçar (30:16):We are talking about how the amino acid chains are, now, elongated in leaving the ribosome.
strogatz (30:22):Okay, okay, so elongation of the amino acid chain.
Kaçar (30:25):Elongation of the product. Exactly.
strogatz (30:27):Are you checking, say, different strains of bacteria, or yeast? Or who are your — who are your organisms?
Kaçar (30:34):So my organisms are bacteria. We use microbes pretty much for everything in my lab. I was a postdoctoral fellow, working at NASA Astrobiology Institute at this time. So I was reading a lot of Stephen Jay Gould, watching a lot of — way too much — Star Trek , and reading way too many Daniel Dennett books, and I thought, okay, well, maybe, if we have this methodology that was developed, first as an idea, in the ’60s — the chemical paleogenetics proposed by [Linus] Pauling and [Emile] Zuckerkandl, that maybe we can use DNA and amino acids as a way to reconstruct early organisms — and then been realized by synthetic biologists in the ’90s, why can’t we use microbes as the host organisms where we now, not only reconstruct the ancient DNA molecules, but engineer them inside the organisms? And again, then resurrect them by using the modern organisms as a host?
strogatz (31:29):Let me just underline that. I think I’m getting — I want to check that I’m with you, I think I am. That earlier researchers talked about the inference step, trying to imagine what these ancestral sequences might have been like, and then they could — assuming the genetic code was similar back then to what it is today — they could infer what the peptides would be that would result from those sequences after being translated. Your new thing is to actually make those. You know, again, assuming the conservation of the genetic code over a long period of time. That you can make those molecules, you don’t have to just think about what their sequences were, you could actually make them now.
Kaçar (32:04):Yes, make them and not only synthesize them, and analyze them outside of the cell, but also genetically modify the organisms with these ancient DNA molecules, to study the evolution of these genes in tandem with the organism over geologic time. The goal I had was perhaps we can combine synthetic biology, evolutionary biology, phylogenetic trees, and develop experimental systems to make an attempt to reconstruct these early steps.
Kaçar (32:36):Translation was screaming at us, really saying “study me!” because it’s so essential, so conserved. It’s the, sort of the M.O. [modus operandi] of every cell. And yet, we don’t understand how the early steps evolved. So instead of focusing on the ribosome, we started by focusing on the proteins around it that make this ribosome do its job. Because if you think about it, a ribosome is a little, like, diva, in a way, it’s sort of sitting on its throne. And all these other proteins, the shuttle proteins as we like to think of them, really enable its function. They’re obsessed with this core system. It’s almost like butterflies and moths flying into the light. They bring amino acids and just sort of serve this entire, you know, this macromolecule that we call a ribosome. And to me, understanding how that — as a behavior, emerges, it’s just such a challenging and important question. And that’s also what we will be pushing forward over the next decade. And I’m really excited about that.
strogatz (33:38):So one of the things I find really intriguing about your work is that it seems like you’re not just watching how ancient genes and their products behave, but also some of the experiments that you’ve done have addressed the question of how they might have evolved over long periods of time. That is, I mean, it feels like it’s related to a thought experiment that Stephen Jay Gould once discussed, where he was imagining rewinding the tape of life and letting evolution play out again and again, and he sort of thought that the story of life would turn out different every time. How did you approach this question with actual experiments and what did you find?
Kaçar (34:15):The debate that Steve Jay Gould initiated in the literature with regards to replaying tape of life definitely fed a lot of the early experiments that I’ve done. Not only, we reconstructed early components of the translation machinery and engineered them inside bacteria, but I also set up an evolution experiment to then replay the evolution for this system that is presumably representing a fragment of billions of years into the past. And I thought that paleogenetics, resurrecting ancient DNA, inserting these ancient DNA inside modern systems, and then evolving these ancient DNA systems in the lab would perhaps be a way to realize this thought experiment of rewinding and replaying. That was the motivation.
And I also, of course, got inspired by the work of Rich Lenski, at Michigan State, that set in-laboratory evolution experiment decades ago, and is creating his own fossil record of microbes, by simply subjecting them to controlled reproduction and populating them every day for a really long time. It’s the same E. coli bacteria that I used to engineer ancient translation gene. And I followed this similar experimental evolution system to watch how bacteria that is now operating using an ancient translation protein, that it’s not happy, meaning it’s growing really slow, looks really sick, really unhealthy —
strogatz (35:46):Really? So with the ancestral protein, it sort of looks inferior or sick. It’s messed up.
Kaçar (35:52):Oh, yeah, it messed up the organism that was — they needed each other, but they didn’t want each other. So, you know, it was like a very complicated relationship unfolding in front of me. 당신은 무엇을 할 건가요? I mean, the organism needed the elongation factor, and the only one that it used is this one that we forced it to live with. And then to just watch how the two will communicate.
strogatz (36:15):Wait, I want to hear more about this. So it’s like, it’s like you have some modern-day car, but you’re giving it an old, some junky old part from a long time ago or something?
Kaçar (36:24):Exactly. And essential, too. So we deleted any other copy that may be present in the genome — that’s the modern version way to present. And forced bacteria to survive only by using this particular ancient elongation protein. After this insertion — and the engineering was a little messed up — it grew almost twice as slow. And even the colonies were looking really messed up to me. But the amazing thing about experimental evolution, and what we saw, is that the organism was able to recover from the small function in a matter of just tens of generations. So the recovery was very rapid.
It made sense if you think about it because they need to, again, to get along. This is, this is not a game. This is a survival thing, and life needs to find a way, and life did. Then we spent really long years to understand how this solution came about and what mutations that bacteria accumulate to deal with this old problem.
strogatz (37:30):Please tell us a little bit about where you’re heading next. I mean, it sounds like you’re starting to work on this multi-year project called MUSE. 그게 뭐야?
Kaçar (37:38):We expand our studies now to understand how metals and elements play a role in early life. We obtained a pretty substantial grant from NASA. It’s a multimillion-dollar, multi-investigator, multi-year grant to explore particularly how molybdenum, iron, vanadium, and many other interesting metals factor in the emergence and evolution of metabolisms, and how such interactions impacted the rock record.
strogatz (38:09):Fantastic. Congratulations on that. And thanks again for sharing all these interesting insights you have about origins of life and early life. It’s been a great pleasure talking to you. Thank you.
Kaçar (38:20):Thank you so much for having me.
아나운서 (38:26):If you like The Joy of Why , check out the Quanta Magazine Science Podcast , hosted by me, Susan Valot, one of the producers of this show. Also, tell your friends about this podcast and give us a like or follow where you listen. It helps people find The Joy of Why podcast.
strogatz (41:05):The Joy of Why Quanta Magazine 의 팟 캐스트입니다 , The Simons Foundation이 지원하는 편집 적으로 독립적 인 간행물. Funding decisions by the Simons Foundation have no influence on the selection of topics, guests, or other editorial decisions in this podcast or in Quanta Magazine . The Joy of Why is produced by Susan Valot and Polly Stryker. Our editors are John Rennie and Thomas Lin, with support by Matt Carlstrom, Annie Melchor, and Leila Sloman. Our theme music was composed by Richie Johnson. Our logo is by Jackie King, and artwork for the episodes is by Michael Driver and Samuel Velasco. I’m your host, Steve Strogatz. If you have any questions or comments for us, please email us at [email protected] Thanks for listening.
