Steget före livets början: Gåtan som kan leda oss på rätt spår

De äter, förökar sig och muterar. Många skulle kalla dem levande. Men Gerald Joyce tycker inte att han har lyckats skapa konstgjort liv i sitt laboratorium på The Scripps research institute i Kalifornien. Inte än.

– De saknar förmåga att skapa något nytt, de är helt enkelt inte tillräckligt smarta, säger han om sina molekyler. Om du tänker på evolutionen av levande organismer på jorden, så har den ständigt kommit i nya former. Trycket från miljön har inte bara fått livet att anpassa sig, utan faktiskt också frambringat helt nya former och nya funktioner. Mina molekyler saknar denna innovationskraft; därför vill jag inte kalla dem levande.

Och det handlar inte om att återskapa liv, påpekar Gerald Joyce, inte om att reproducera skeenden från livets allra första steg på jorden.

– Nej, det enda vi har lyckats göra är att skapa ett kemiskt system som uppvisar vissa biologiska egenskaper. Jag hoppas att vi i framtiden ska kunna utveckla våra kemiexperiment så att de leder till uppkomsten av biologiskt liv. Från kemi till biologi – det är så vetenskapen oftast föreställer sig livets ursprung.

Det är alltså fortfarande bara kemi – biologin har inte fötts än. Ändå är det första gången som någon har lyckats med bedriften att få livets viktigaste byggstenar, rna-molekylerna, att reproducera sig och anpassa sig efter det naturliga urvalets regler.

– Vi har faktiskt inte ens någon vetenskaplig definition av liv. Olika forskare ger olika svar på frågan om vad liv är. Jag tycker att det viktigaste villkoret för liv är att det ska kunna följa evolutionens lagar. Men det är svårt att göra en exakt definition, som omfattar all den kreativitet som livet på jorden uppvisar.

Det finns bara ett enda exempel, bara en gång har det hänt. Och ingen vet vare sig när, var eller hur livet kom till jorden. Därför går det inte heller att säga hur sannolikt det är att liv ska alstras, varken här på jorden eller på andra håll i universum.

Var livets uppkomst bara en slump, en ödets nyck, som Nobelpristagaren Jacques Monod resonerade om? I så fall är sannolikheten försvinnande liten för att liv skulle ha fått fäste någon annanstans i rymden. Är vi den osannolika slumpens verk, då är vi nästan säkert helt ensamma i världsalltet.

Men det kanske är precis tvärtom: just för att liv existerar här på jorden så måste det också vara vanligt överallt i universum. En sådan deterministisk tanke förfäktade bland andra cellbiologen och Nobelpristagaren Christian de Duve, som skrev att liv är ett kosmiskt imperativ, det finns inbyggt i universums väv. Livets uppkomst skulle då inte vara en nyckfull slump, utan en automatisk följd av naturlagarna. Överallt där det kretsar planeter kring främmande solar finns det alltså också en chans för liv att utvecklas, förutsatt att förhållandena är de rätta. Men vad är rätt för att tända livsgnistan hos död materia?

– Vi vet inte. Därför har det också hänt flera gånger, både tidigare och under de senaste åren, att vi haft fel. Som president Clinton 1996, när han tillkännagav att gamla fossil av liv på Mars hade hittats i en meteorit på Antarktis (nej, det var bara mineraler). Eller när främmande arsenikbaserat liv påstods ha upptäckts i Lake Mono i Kalifornien (nej, det var bara vanliga bakterier). Likaså påstod den amerikanska genetikern Craig Venter för några år sedan att han hade skapat den första konstgjorda levande cellen (nej, föräldern var mikroben Mycoplasma mycoides).

Det är lätt att göra fel när det bara finns ett känt exempel på liv. Från början, när jorden bildades ur ett moln av gas och stoft för 4,6 miljarder år sedan, var den livlös och ogästvänlig. I en miljard år bombarderades den unga jorden av jättemeteoriter som effektivt utplånade alla försök till spirande biologiskt liv. De äldsta nu kända fossilen av levande mikroorganismer är 3,6 miljarder år gamla. Hur det än gick till så uppkom de första encelliga organismerna så fort lugnet hade spridit sig på jorden. Sedan följde drygt tre årmiljarder då vår planet kryllade av enkla mikrober innan flercelliga organismer och – sent omsider – även vi kom till.

Fram till mitten av 1600-talet trodde de flesta västerlänningar att Gud hade skapat människan och de högre djuren, medan insekter, möss, grodor och andra små varelser spontant hade uppstått ur lera och sönderfallande materia. Först under andra halvan av 1800-talet kullkastade två forskare tankarna på spontan uralstring. Fransmannen Louis Pasteur kunde bevisa att till och med minsta bakterie måste ha föräldrar för att bli till. Därmed väckte han på allvar frågan om den första organismen.

En sorts svar presenterade Charles Darwin, även om han undvek att föra livets början på tal i sin Om arternas uppkomst. Där beskrev han hur evolutionen driver fram utvecklingen mot alltmer komplexa organismer, de ”… utvecklas vidare mot otaliga former av den yttersta och underbaraste skönhet”. Fast frågan om själva början var för känslig. Darwin skrev försiktigt att liv ”ursprungligen blåstes in i ett litet fåtal former, kanske bara i en enda”. Men i ett brev till en kollega var han klar över att det var kemin, och inget annat, som ledde fram till biologiskt liv som han föreställde sig ha uppkommit i en ”… liten varm pöl med alla slags ammonium- och fosforsalter, ljus, värme, elektricitet, etc.”.

Var exakt det hände – i en liten pöl, eller nere i oceanen som täckte nästan hela jordytan – råder det olika åsikter om. Men ingen forskare tvivlar i dag på att allt levande på jorden stammar från samma lilla mikrob, en urcell. Det beror på de gemensamma drag som alla nu levande varelser uppvisar. Som att de i grunden har samma sätt att fungera: samma ämnesomsättning och samma sätt att lagra och kopiera genetisk information.

Alla organismer byggs också upp av liknande organiska ämnen och alla proteiner, cellens arbetshästar, består av ungefär 20 stycken aminosyror, trots att det existerar hundratals olika aminosyror att välja på. Den genetiska koden, en mall för hur aminosyrorna ska ordnas för att bygga upp proteiner, är också gemensam för alla. Den styrs av makromolekylerna rna och dna, som båda består av nukleotider sammanlänkade i långa kedjor.

Urcellen var redan den ett mycket avancerat bygge som bestod av miljontals olika kemiska ämnen. Ursprunget måste därför sökas längre tillbaka i tiden – dagens dna och proteiner bör ha föregåtts av mer primitiva kemiska ämnen. Urcellen må vara den sista gemensamma stamfadern till allt liv som i dag finns på jorden, men den kan knappast ha varit den första levande varelsen.

Hur urcellen kom till utgör dessutom en olöslig paradox: vad kom först – dna eller proteinerna, information eller funktion? Hur kan proteinerna tillverkas utan dna som kodar för dem? Och om inte proteinerna redan finns på plats, hur kan dna och cellens andra invånare då framställas? Det är extremt osannolikt att proteiner och dna skulle uppstå spontant samtidigt och på samma ställe.

Kanske behövdes inte proteinerna. I så fall skulle rna, som är underordnat dna i cellen, helt på egen hand ha kunnat ta kommandot under livets första tid på jorden. Rna består av nästan samma fyra bokstäver som dna, så rna-molekylen skulle kunna lagra genetisk information. I vissa virus är det faktiskt så än i dag.

Rna har även visat sig kunna fylla proteinernas uppgifter i en cell. Särskilda rna-molekyler som upptäcktes 1983 har förmåga att påverka sin egen produktion. Kanske har det funnits en föregångare till vår dna-baserade värld – en rna-värld. Tanken hade dykt upp långt innan laboratorieförsök kunnat visa att den inte är helt tokig.

– Vi försöker få våra ribosomer att bli levande. Redan nu kan de ändra sin struktur och anpassa sig till varierande temperatur eller saltmängd i sin miljö. Sådant händer faktiskt i naturen också, men naturen bildar, som sagt, även alla möjliga nya former, vilket våra molekyler inte förmår, säger Gerald Joyce.

Vad ska man göra för att de ska bli smartare?

– Vad är smart för en molekyl? Den behöver kunskap, molekylärt minne. Evolutionen handlar ju mycket om att lagra information. Och våra molekyler har, precis som generna i en biologisk organism, också gensekvenser som förändras över tid. Molekylen samlar information om vilket som är den bästa lösningen på ett problem och förmedlar den till nästkommande generation. De som lyckas bäst med att anpassa sig överlever, och deras gener fortlever också. Så nu försöker vi öka mängden information som våra molekyler klarar att hantera.

Ju mer information, desto mer sofistikerad kemisk lösning. Med större minne följer också mer avancerade funktioner. I dag kan Gerald Joyce ribosomer hantera information på 30 bitar. Det är oerhört få jämfört med till exempel mänskligt genom, som består av tre miljoner baspar vilket ger sex miljoner bitar. Till och med den enklaste bakterie har en miljon bitar i sin enda cell.

– Men även om vi lyckas blåsa liv i våra rna-molekyler så säger det fortfarande inte mycket om hur livet började på jorden. Rna är väldigt ömtåligt i naturlig miljö, vissa metaller bryter blixtsnabbt ner det. Dessutom har ingen ännu sett en levande organism uppbyggd med bara rna. Så vi har faktiskt inga direkta bevis för en rna-värld, säger Gerald Joyce.

Betydligt mer övertygad om att rna-världen faktiskt har kunnat utgöra livets vagga, är genetikprofessor Jack Szostak från Massachusetts general hospital i Harvard, USA. Efter att ha övergett sin tidigare forskning om telomerer (som han fick Nobelpriset för 2009), har han sedan trettio år tillbaka försökt att på sitt sätt skapa en rna-värld i laboratoriet.

– Vi har kommit så långt att vi löste problemet med vad som kom först – cellmembran eller maskineriet i cellen. För även hos den minsta mikroben utspelar sig livsprocesserna innanför ett cellmembran, som också ser till vad som får passera ut och in i cellen. I våra försök bildas cellmembran spontant ur enkla fettsyror utspädda i vatten, och numera kan vi skapa en liten protocell som innehåller korta rna-strängar.

Szostaks små säckar fyllda med vatten och rna, vesiklarna, klarar av att växa, tävla om näringsämnen och dela sig. Utmaningen är att samordna tillväxten och delningen av en vesikel med replikeringsprocessen som sker inne i den. Nukleinsyrorna i cellen driver själva tillväxten av membranet – när de replikeras sväller hela vesikeln och membranet sträcks ut så att det absorberar fettsyror från andra vesikler i omgivningen. Därför bör celler med snabbare reproduktion växa och dela sig snabbare, vilket bör leda till att naturligt urval och cellevolution sparkas i gång.

– Svårast är att få rna att fortplantas och att få det att göra det tillräckligt snabbt. Än så länge krävs ett antal trick för att det ska ske. En annan sedan länge känd svårighet är att lista ut hur byggstenarna i rna kan sättas samman på ett från början pålitligt sätt. Det är något vi har arbetat med de senaste 30–40 åren – hur det ska göras och hur det kan göras snabbare och mer exakt.

En uppenbar fråga är hur rna bildades från första början. Till och med i provröret är rna nästan helt omöjligt att sätta ihop.

Rna-molekylen består av en lång kedja av nukleotider och varje nukleotid byggs upp av en trio: en sockermolekyl, en fosfatgrupp och en kvävebas. Fyra olika kvävebaser utgör genomet – det är de fyra bokstäverna i arvsmassan. I rna är baserna adenin (A), uracil (U), guanin (G) och cytosin (C). I dna är uracil ersatt av tymin.

Varje byggkloss innebär alldeles egna utmaningar för att sättas samman. Kvävebaserna som består av aminosyror anses vara lättast, de kan ha bildats spontant i vissa miljöer. Detta påvisade bland andra den då 23-årige forskarstudenten i USA, Stanley Miller, i sitt pionjärexperiment tillsammans med sin handledare, Harold Urey. I ett provrör hettade han upp ammoniak, väte och metan, och sedan utsatte han sin ursoppa för ultravioletta strålar och blixturladdningar. De första organiska molekylerna dök då upp i provröret, ett bevis för att livets byggstenar kan uppstå ur enkla oorganiska ämnen. Miller–Urey-experimentet fick så småningom kritik för att miljön på jorden kanske inte var sådan som de trodde, fast hur den var vet man fortfarande inte.

Men man vet att aminosyrorna också kan ha levererats till jorden med meteoriter och kometer – det finns gott om aminosyror i rymden. Kanske anlände fosfor också från rymden, eftersom de jordiska mineraler som innehåller mest fosfor inte är lösliga i vatten, där livet antagligen uppkom först.

Den tredje pusselbiten, sockermolekylerna, är känd för att lätt kunna formas av de förmodat första kemiska ämnena på jorden. Svårare är det dock att få fram den rätta sortens socker, ribos, som är instabilt och snabbt sönderfaller.

– För några år sedan lyckades vi hitta vägar till att stabilisera ribosen, säger Jack Szostak. Ändå har det länge varit extremt svårt att få fram syntetiskt rna, nästan omöjligt. Så folk började tänka på alternativ, annat som kunde föregå rna-världen. Inget har dock visat sig vara lättare att syntetisera, och numera har vi nya kreativa sätt som ser mycket lovande ut för rna.

Anledningen till Szostaks optimism är experiment gjorda av John Sutherland i Storbritannien, som efter drygt tio år av fruktlösa försök lyckades fylla i några luckor i rna-pusslet. För även om varje pusselbit i rna-bygget har formats, så var det omöjligt att få ihop hela pusslet. Att bara släppa ner de tre komponenterna – sockret, fosfaterna och kvävebaserna – i vatten och hoppas att de hakar på varandra spontant, visade sig utsiktslöst. För att sammanslagningen ska äga rum måste energi tillföras, eftersom bindningsreaktionerna kräver att det frigörs en vattenmolekyl, och i en vattenlösning sker detta inte spontant.

Sutherlands genombrott kom när han i stället för de färdiga rna-komponenterna blandade samman deras beståndsdelar och utsatte dem för en intrikat kedja av kemiska reaktioner. Ultravioletta strålar avslutade verket och plötsligt satt de ihop, sockret med fosfaterna och två av de fyra kvävebaserna, uracil och cytosin. Hur guanin och adenin ska bindas till rna-nukleotiden återstår att utröna, men resultatet väckte nytt hopp hos rna-världens förespråkare.

Kritikerna menar att forskningen om rna-världen är ljusår från att skapa en levande cell, och att kunskapsluckorna när det till exempel handlar om hur evolutionen kan sparkas i gång, fortfarande är för stora. Bara att bilda själva rna-molekylen kräver extrem finjustering, som den unga jorden omöjligen har kunnat åstadkomma.

– Det här vet vi ingenting om, säger Jack Szostak. Vi vet inte hur jorden såg ut eller var någonstans livet tog sina första steg på jorden. Och vi vet fortfarande alldeles för lite om hur svårt eller lätt det var för livet att börja.

Frågetecknen har länge varit så många att dna-spiralens upptäckare, den brittiska biofysikern Francis Crick, i desperation föreslog att livet kanske började någon annanstans och planterades på jorden av hitresande utomjordingar. I så fall är enda chansen att finna ursprunget till det jordiska livet någonstans långt borta i rymden. Med tanke på alla de planeter kring andra solar som astronomerna hittills har funnit, är det kanske inte helt omöjligt. Fast det tror inte Gerald Joyce.

– Allt skulle förstås bli mycket lättare om vi hittade något ytterligare exempel på liv. Men jag tror att vi kommer att skapa liv i laboratoriet långt innan vi hittar det någon annanstans i världsrymden.