신은 토스터 오븐으로 시작했을 수도 있습니다. 몇 년 전, 야드 판매에서 Nicholas Hud는 좋은 후보자를 발견했습니다. 빈티지 일반 전기 모델은 목재 곡물 패널로 도금 된 크롬으로, 오래된 노란색 상자에 자리 잡고 실제로 사용되지 않았습니다. 그는 생명의 화학 전구체를 요리하기위한 완벽한기구라고 그는 생각했다. 그는 그것을 5 달러에 샀다.
그는 지하실의 집에서 대학생 아들의 도움으로 오븐 뒷면에 직사각형 구멍을 자르고 자동 슬라이딩 테이블 (오래된 문서 스캐너에서 재활용)이 실험 트레이를 안팎으로 움직일 수 있습니다. 그런 다음 주사기 펌프를 일부 잉크젯 프린터 부품에 부착하고 시스템을 조작하여 주기적으로 트레이에 물을 떨어 뜨 렸습니다.
.오늘이 제조업은 조지아 기술 연구소 (Georgia Institute of Technology)의 HUD 실험실의 워크 벤치 꼭대기에 있으며 NASA와 National Science Foundation이 자금을 지원하는 다중 대학 컨소시엄 인 화학 진화 센터를 지휘합니다. 지난 20 년 동안, 그는 지구상에서 생명이 어떻게 생겼는지 설명 할 수있는 화학 레시피를 사냥 해 왔습니다. 과학자들이 1950 년대에 생명의 분자 기원을 조사하기 시작했을 때, 그들은 최초의 생물학적 분자가 원시 화합물의 수프에서 자발적으로 형성되었다고 가정했다 :올바른 조건 하에서 올바른 성분의 운이 좋은 결혼. HUD와 그의 동료들은 이제 삶의 불꽃이 우연히가 아니라 긴 화학적 진화를 통해 훨씬 더 점차적으로 강타했을 수 있음을 발견하고 있습니다.
토스터는 그의 최신 입증 지점입니다. HUD 용의자는 시원하고 뜨겁고 습하고 건조한주기를 시뮬레이션합니다. HUD 용의자는 첫 번째 세포 수명 형태가 나타나기 전에 수백만 년 전에이 진화 과정을 시작했습니다. 그것은 밤에 축 압축을 모방하고 일출로 증발합니다. 비 웅덩이가 채워지고 건조; 해안 석호는 홍수와 조수로 비우기. HUD는 이것을“낮 밤 기계”라고 부릅니다.
작년 봄날, 그와 나는 주택 건설 장치 주위에 모여서 작동하는 것을 보았습니다. 오븐 외부에서 주사기는 슬라이딩 트레이의 세라믹 플레이트에있는 6 개의 우물 각각에 물방울의 물방울을 전달합니다. 이 데모의 목적 상, 우물은 비어 있습니다. 실험 동안, 이들은 초기 지구에 존재했다고 생각 된 것과 같은 단순한 분자 또는 단량체의 혼합물을 함유한다. 트레이가 오븐으로 사라져 밀봉됩니다. 온도가 화씨 185도 (섭씨 85도)로 상승함에 따라 물은 첫날 증발합니다. 몇 분이 지나가고 트레이가 미끄러 져 나옵니다. 우물은 시원하고 물이 떨어지고 트레이가 간다 - 둘째 날.
진화에는 변화와 선택의 두 가지 힘이 필요합니다. 단량체 양조가 건조 될 때, 탈수는 그들을 함께 결합하여 폴리머라고 불리는 사슬을 형성 할 수있다. 그러나 혼합물을 다시 적시면 그 결합 중 일부가 파손됩니다. 다시 말해, 프로세스는 가역적입니다. 폴리머는 새로운 구성으로 형성, 분해 및 다시 형성 될 수 있습니다. 그것은 변동입니다. 결국, 일부 폴리머는 이점에 걸려 넘어 질 수 있습니다. 예를 들어, 그들은 너무 빨리 파손되는 것을 방지하는 모양으로 접을 수 있습니다. 그것은 선택입니다. Hud는“이것은 진화의 첫 생존자 일 수 있습니다.
그는 원시 지구에서 수백만 번의주기에 걸쳐 일부 생존자들은 반응을 촉진하는 능력과 같은 다른 이점을 얻었습니다. 그들은 원시 화학 네트워크를 형성하여 상호 작용하고 협력하기 시작했습니다. 조만간 일부 네트워크는 자체 복제 및 획득 된 보호막을 얻기 시작했습니다. 그때는 인생이 시작되었고 생물학적 진화가 지휘봉을 받았습니다. 세포와 같은 주머니는 원핵 생물 (박테리아 및 고고선)을 낳고, 단일 세포 진핵 생물 (원생 동물, 슬라임 곰팡이 및 조류)을 구걸하고 다세포 유기체 (식물과 동물)를 간청하여 마지막으로 우리에게 오랫동안 상승합니다.
.그리고 HUD가 옳다면, 우리의 회전하는 행성은 모든 것을 시작한 거대한 낮 밤 기계였습니다.
모든 생명은 두 가지 종류의 폴리머에 의존합니다. 단백질은 신진 대사의 기본 작업을 수행합니다. 및 핵산 (DNA 및 RNA)은 미래 세대에게 전달 될 유전자 지시를 저장합니다. 1953 년 유명한 실험에서 화학자 Stanley Miller와 Harold Urey는 이러한 필수 분자의 많은 빌딩 블록이 생물학적 과정의 도움없이 화학을 통해 젊은 지구에 조립 될 수 있음을 보여주었습니다. 4 개의 원시 화합물 (메탄, 암모니아, 수소 및 물)의 혼합물에 전기 스파크를 적용함으로써 단백질의 기본 단위 인 아미노산을 생산했습니다. 비슷한 방법을 사용하여 연구원들은 나중에 유전자 코드를 구성하는 핵과를 구성하는 일부 화학 문자를 만들었습니다.
그러나이 간단한 단량체가 처음에 어떻게 폴리머에 스티칭되었는지는 누구나 추측하는 사람이었습니다. 세포에서, 단백질은 DNA를 제조하고 복사하는 복잡한 작업을 수행하는 반면, DNA는 단백질 구축에 대한 청사진을 제공한다. 이 닭고기와 Egg 역설에 비추어 일부 연구자들은 DNA에서 단백질 공장으로의 정보를 최초의 생물학적 중합체로 운반하는 RNA를 지명했습니다. 아마도이 메신저 분자는 진화가 이러한 역할을 나누기 전에 단백질과 DNA의 의무를 수행했을 것입니다. 1980 년대에 화학자 Thomas Cech와 Sidney Altman은 이것이 실제로 그럴 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 독립적으로 일하면서 일부 RNA가 단백질처럼 화학 반응을 촉진 할 수 있음을 발견하여 고대 분자가 스스로 복사 할 수 있음을 시사합니다.
.그러나 과학자들은 지금까지 프리 바이오 틱 조건 하에서 RNA를 재현하지 못했습니다. 그들이 가장 가까운 것은 2009 년 맨체스터 대학교의 John Sutherland가 이끄는 팀이 저널 Nature 에 레시피를 발표했을 때였습니다. 처음부터 합성하기 위해 RNA의 기본 단위 :포스페이트에 부착 된 핵 염기는 뉴클레오티드를 형성한다. RNA가 단백질의 도움없이 자발적으로 조립하기에는 너무 복잡 할 수 있습니다. 그것이 사실이라면, HUD와 다른 사람들은 더 원시적 인 중합체에서 발전했을 것입니다.
HUD는 RNA를 Stradivarius 바이올린 :완벽한 악기와 비교합니다. "그러나 당신은 stradivarius를 만드는 것으로 시작하지 않습니다."라고 그는 말합니다. “당신은 누군가가 끈 조각으로 막대기를 가져 와서 활로 뻗는 것으로 시작합니다. 그것이 내가 우리 에게이 완벽한 분자를주기 위해 진화 한 긴 분자의 후손으로서 RNA를 보는 방법입니다. 과학자들이 시험관에서 RNA 또는 기타 기본 폴리머를 위조 할 수 있더라도 결과는 진정한 기원을 밝히지 않을 것입니다. Frankenstein 박사의 괴물과 마찬가지로, 스티칭 된 창작물은 수백만 년에 걸쳐 그들의 모습을 막는 진화 과정에 대해 거의 말하지 않을 것입니다.
따라서 HUD의 팀은 대신 RNA의 조상을 찾는 데 중점을 두었습니다. 비슷하게 행동하지만 유사한 환경에서 더 쉽게 조립되는 분광기입니다. 이 사냥은 10 년 전에 RNA의 핵과 같은 구조적으로 100 개의 단량체 목록으로 시작되었습니다. 다양한 조건에서 수십 명의 후보자를 테스트 한 후 연구원들은 마침내 돌파구를 만들었습니다. 2013 년 논문에서, 그들은 2 개의 단량체 인 Triaminopyrimidine (TAP)과 Cyanuric Acid (CA)가 고리에 조립되어 유전자만큼 체인을 형성하는 고리에 조립 된 것으로보고했다.
.후속 연구에서, 팀은 TAP가 뉴클레오티드의 일부와 유사한 화합물을 생성하기 위해 설탕 (악명 높은 어려운 단계)과 쉽게 결합 할 수 있음을 보여 주었다. CA에 첨가 될 때, 준-뉴클레오티드는 또한 유전자-유사 사슬로 그룹화되었다. 그러나 이것들은 진정한 폴리머가 아니 었습니다. 끈의 비드처럼 함께 꿰매는 RNA의 실제 뉴클레오티드와 달리, 이들 장치는 자석처럼 느슨하게 결합되었습니다.
그러나 그 결과는 시작에 불과했습니다. Tap-CA 체인과 같은 구조가 RNA의 프로토 타입이라면, 첫 번째 원유 기기-어떻게 걸작이 되었습니까?
HUD의 사무실은 원산지 이야기에서 영감을 얻은 장면으로 장식되어 있습니다. 한 벽에는 미켈란젤로의 Adam의 창조물이 있습니다. . 다른 하나에는 힌두 신의 초상화가 있으며, 원시적 인“우유의 바다”에 자리 잡고 있으며, 아즈텍 제작자 Quetzalcoatl은 깃털이 달린 뱀으로 상상됩니다. Hud는“우리는 인간으로서 의식을 가졌던 모든 시간 동안 인생이 어디에서 왔는지 궁금해했습니다. "과학적으로 그럴듯한 이야기를 만들 수 있다면 좋을 것입니다."
HUD는 로스 앤젤레스에서 왔는데, 그의 아버지는 유제품 산업의 품질 관리 검사관이었습니다. 그의 어머니, 간호사이자 독실한 기독교인은 16 년 동안 가톨릭 학교에 등록했습니다. 그러나 그의 열정은 과학이었습니다. 그는 박사 학위였습니다. Cech와 Altman이 RNA의 단백질과 같은 능력을 발견 한 것으로 1989 년 노벨상을 수상했을 때 Davis의 Davis, Davis University의 생물 물리학 학생. Hud는 이렇게 회상합니다. 그는 푹 빠졌다.
1999 년 그는 조지아 테크 (Georgia Tech)의 교수진에 합류하여 지구의주기 (건조하고, 뜨겁고, 차가운데, 낮과 밤)가 인생의 폴리머를 창출 할 가능성을 조사하기 시작했습니다. 1970 년대에 Stanley Miller를 포함한 소수의 생명의 화학자들은 큰 오븐의 시계 안경에서 성분을 건조시켜 단백질과 DNA를 생산하려고 시도했습니다. 그러나 그들은 거의 성공하지 못했습니다. 결국, 연구원들이 해저의 열수 통풍구와 같은 웅덩이를 건조시키는 것보다 더 이국적인 지역 주민들의 생명의 기원을 찾기 시작하면서 매우 인기있는 접근 방식은 사용 불가능합니다.
그러나 Hud는 Miller와 그의 동시대 사람들이 올바른 길을 가고 있다고 생각했습니다. 그는 습식 건조 사이클은“물 역설”으로 알려진 것을 해결함으로써 폴리머를 동축시킬 수 있다고 생각했다. 용매로서 물은 생명에 필수적입니다. 화학 반응을 촉진하고 영양소와 폐기물을 운반하는 데 도움이됩니다. 그러나 생명의 폴리머를 만들려면 물을 제거해야합니다. 정교한 세포 기계가 없으면 단백질과 핵산은 세포의 물 환경에서 결합 할 수 없었습니다. 그러므로 첫 번째 생명과 같은 분자는 수분과 건조가 필요했을 것입니다.
HUD는 그의 전임자들이 중단 한 곳에서 실험을 시작하기로 결정했습니다. 그러나 그들의 수동 습윤 및 건조 단량체 방법은 너무 지루한 것으로 판명되었습니다. HUD는 이렇게 회상합니다. "우리는 50주기를 시도하고 싶다고 말합니다. 거의 한 달이 걸렸을 것입니다!"
그때 그는 밤새 기계를 만들기로 결정했습니다. 그는 플랫 아이언과 피자 팬이 포함 된 디자인을 포함하여 여러 디자인을 땜질했습니다. 다른 디자인은 로봇 암을 PCR 기계에 장착했습니다. PCR 기계, 온도 변동을 사용하여 DNA를 복사하는 일반적인 실험실 도구. 첫 번째 성공적인 실험 중 하나에서, 그와 그의 팀은 단순히 단량체를 습윤시키고 건조시켜 하이드 록시 산 (hydroxy acid)이라는 원시 화합물의 사슬을 재배하는 데 사용했습니다. 사이클은 래칫처럼 작용했습니다. PCR 기계가 하이드 록시 산 및 물 용액을 가열하면 일부 단량체는 건조 될 때 결합되었다. 그들이 식히고 물이 돌아 왔을 때, 일부 채권은 살아 남았습니다. HUD는“우리가 온도가 낮기 때문에 역 반응이 느려질 것이므로 채권을 분해 할 가능성이 적습니다. “우리는 물이 들어오고 물이 뒤쳐져 나와 앞뒤로 나옵니다. 그러나 우리는 한 방향으로 발전하고 있습니다. 우리는 폴리머를 구축하고 있습니다.” 그의 팀은 2014 년에 결과를 발표했습니다.
이번 7 월에 발표 된 연구에서 그들은 실험을 한 단계 더 발전시켰다. 그들은 아미노산을 추가했다. 히드 록시 산이 결합되어 폴리머로 성장함에 따라, 각각의 습식 건조 사이클로, 일부 아미노산 중 일부는 이들 사슬에 스스로를 포함시켜 단백질과 유사한 배열을 형성했다. HUD는 아마도 RNA의 선구자를 포함하는 유사한 과정이 초기 지구에서 발생했을 가능성이 높아져 화학 진화의 첫 단계를 제공한다고 의심합니다.
산타 크루즈 (Santa Cruz)에있는 캘리포니아 대학 (University of California)의 생물 물리학자인 데이비드 디머 (David Deamer)는 이번 시나리오가 그럴듯한 시나리오라고 말합니다. 그는 이론이 더 설득력이 있다고 덧붙였다. HUD의 팀은“화학적 트릭없이”중합체 형성을 시연 할 수 있었기 때문에 덧붙였다.
.그러나이 이야기를 실제로 팔기 위해 Deamer와 다른 사람들은 과학자들이 습식 건조 사이클이 폴리머를 구축 할 수있을뿐만 아니라 촉매로서 작용하는 분자를 선택할 수 있음을 보여 주어야 할 것입니다. HUD의 팀은 단지 20주기 후에 단백질과 같은 사슬을 만들었습니다. 수백, 또는 수천 개의주기가 끝나면 일부 체인은 새로운 방식으로 자신을 뒤흔들 기 시작합니까? 그들은 장갑이 손에 맞는 것처럼 다른 분자를 포착하기 위해 완벽하게 모양을 형성 할 것인가? 그런 다음이 분자가 다른 분자와 반응하여 생명에 필요한 화학을 조율하는 데 도움이 될까요?
이러한 질문에 답하기 위해 HUD는 토스터 오븐으로 돌아가 PCR 설정에 대한 몇 가지 장점을 제공합니다. 더 저렴하고 프로그램하기가 더 간단하여 학생들이 실험을 쉽게 수행 할 수 있습니다. 다재다능합니다. PCR 기계는 작은 플라스틱 튜브에서 용액을 테스트하도록 강요하지만 토스터는 더 많은 양의 액체와 다양한 표면을 허용합니다. Hud는“우리는 트레이에 모든 유형의 물체를 넣을 수 있습니다. “우리는 전체 표면을 바위로 모방 할 수 있습니다. 앞으로 몇 달 동안, 그는 토스터를 사용하여 밤새주기를 증가시킬 계획입니다. "목표는 100 ~ 수백 사이클을하는 것입니다."라고 그는 말합니다.
카네기 기관의 광물 학자 인 로버트 하젠 (Robert Hazen)은 HUD 팀이 단량체에서 촉매로 순환 할 수 있다면“이것이 분명히 이길 메커니즘이 될 것”이라고 말했다. Hud가 말한 것처럼 생명과 진화의 엔진은“별 앞에서 회전하는 행성”처럼 단순 할 수 있습니다.
.
Johnny Bontemps는 뉴욕 브루클린에 위치한 과학 작가입니다.
