Celulele fiinţelor vii

Celulele fiinţelor vii – biblioteci cu mii de pagini de informaţii

În anul 1953, doi specialişti în biologie moleculară, James Watson şi Francis Crick, au făcut publică o descoperire de importanţă majoră pentru înţelegerea vieţii: structura de dublu helix a ADN-ului. Molecula de ADN, care se găseşte în nucleul majorităţii celulelor, conţine informaţii codificate, făcând din celule adevărate biblioteci vii.

Ce sunt celulele?

Celulele sunt unităţile de bază structurale, funcționale și genetice ale tuturor organismelor vii. Celulă a fost descoperită de către Robert Hooke. Este cea mai mică unitate de viață, care poate fi clasificată ca o vietate și este adesea numită „bloc de viață”. Unele organisme sunt mai simple, aşa cum ar fi cele mai multe bacterii, fiind numite unicelulare, deoarece constau dintr-o singură celulă. Alte organisme sunt mult mai complexe, cum ar fi oamenii, aceştia fiind entităţi multicelulare.

Cuvântul celulă provine de la termenul latin cellula, care înseamnă, „cameră mică”. Acest cuvânt, care desemnează cea mai mică structură de viață biologică, a fost dat de către savantul englez Robert Hooke, care a excelat ca astronom și fizician. Hooke a anticipat unele din cele mai importante descoperiri și invenții ale timpurilor sale. A inventat și perfecționat mai multe instrumente de observare și măsurare (telescoape, termometre, microscoape). Cu telescopul Gregorian, Hooke a observat pentru prima oară celulele vegetale. Într-o carte pe care a publicat-o în 1665, Hooke foloseşte denumirea de „celulă”, comparând celulele de plută pe care le-a văzut prin microscopul său, cu micile camere de locuit ale călugărilor.

Celulele conţin infomaţii

Dacă ne-am întreba cum de se dezvoltă un copac dintr-o sămânţă sau cum se dezvoltă un om dintr-un ovul fecundat ori cum am moştenit anumite trăsături de personalitate, răspunsurile la toate aceste întrebări sunt în legătură cu informaţia conţinută în celule, mai precis în ADN-ul celulei.

Acidul dezoxiribonucleic sau, prescurtat, ADN, este un acid nucleic, format din molecule organice complexe. ADN-ul se găsește în fiecare celulă a ființelor vii și este esențial pentru identitatea acelui organism.

ADN-ul este materialul genetic al trupului, fiind principalul constituent chimic al cromozomilor. Fiecare cromozom conţine câte o moleculă de ADN, care este suport al controlului activităţilor celulare şi al transmiterii caracterelor ereditare.

Molecula de ADN este foarte lungă şi este formată din două fire răsucite unul în jurul celuilalt, formând o dublă elice. Secvenţialitatea structurilor de pe lanţurile ADN-ului formează un cod special, codul genetic, care stabileşte cum arată, creşte şi funcţionează trupul.

Pe unul dintre fire se află informaţiile care coordonează sinteza proteinelor de către enzime. Proteinele sunt cele care controlează activitatea celulară. În timpul diviziunii celulare, enzimele separă cele două fire şi sintetizează alte două fire noi în faţa celor vechi. Astfel, se formează două noi molecule de ADN, identice cu cea iniţială. Aceste două noi molecule de ADN sunt destinate fiecare în parte câte unei alte celule-fiice. Acest fenomen, denumit replicarea ADN-ului, asigură identitatea genetică în timpul multiplicării celulare.

Molecula de ADN codifică nu doar informaţia necesară auto-replicării, ci şi informaţiile necesare construirii unui întreg organism viu. Schiţele specifice pentru o albină, un peşte, o privighetoare sau un om  sunt încorporate în structura ADN-ului organismului respectiv, în cadrul unui cod molecular lung de miliarde de litere.

ADN seamănă cu nişte scări lungi, răsucite. În genomul uman – totalitatea materialului nostru genetic –, scările au aproximativ trei miliarde de „trepte” chimice. Oamenii de ştiinţă numesc aceste trepte perechi de baze, deoarece fiecare treaptă este alcătuită din două substanţe chimice. În total, există patru astfel de substanţe, numite adenină, timină, citozină şi guanină. Acestea sunt codificate folosind iniţialele lor: A, T, C şi G. Spirala de ADN are formă dublu elicoidală, un aşa-zis „helix (arc spiral) dublu”. Pentru fiecare treaptă a „scării” coexistă două dintre cele 4 baze azotate  şi avem întotdeauna perechi de tipul A şi T sau G şi C, astfel că dacă se cunoaşte o parte laterală a unei trepte a scării, în mod automat cealaltă este cunoscută şi ea. Pas cu pas şi preţ de 3 miliarde de litere se dezvăluie astfel „formula”, „codul” necesar apariţiei unei fiinţe umane.

Existenţa acestui cod minuscul, scris moleculă cu moleculă în interiorul fiecărei celule, reprezintă în sine o descoperire epocală.  Dar din anii ’60 ai secolului trecut oamenii de ştiinţă au făcut chiar şi mai mult, „citind” sau, altfel spus, decodificând acest cod, deci examinând literă cu literă şi înregistrând ori memorând sub diverse forme atât genomul uman, cât şi codurile genetice ale altor vieţuitoare.

Identificarea pe baza probelor de ADN

Molecula de ADN poate fi asemănată cu o „scară răsucită ori spiralată”. Treptele acestei scări constau din cele patru molecule: adenină, timină, citozină şi guanină. Aceste patru molecule reprezintă „literele” care formează codul genetic. Pas cu pas, aceste litere alcătuiesc formulele care definesc fiecare organism viu. Formula asociată unei fiinţe umane – genomul uman – conţine peste 3 miliarde de litere.

La nivel genetic noi, oamenii, suntem cu toţii aproape identici. Deşi diferenţele între genele oamenilor sunt neînsemnate prin comparaţie cu dimensiunile genomului uman, tehnologiile moderne de decodificare a secvenţelor de ADN pot detecta şi identifica aceste diferenţe. Unicitatea codului genetic al fiecărui om poate reprezenta o caracteristică ce transformă procedura de decodificare într-o unealtă foarte utilă într-o mulţime de aplicaţii, de la identificarea pe baza ADN-ului sau stabilirea paternităţii, până la medicina legală şi investigaţiile criminalistice.

Specialiştii în acest domeniu pot recupera şi extrage probe de ADN din cele mai mici mostre de ţesut uman. Odată ce a fost obţinută o mostră suficientă cantitativ şi corespunzătoare calitativ, începe un proces în mai mulţi paşi, numit „electroforeză ADN”, procedură care scoate în evidenţă şi cele mai mici diferenţe la nivel molecular în cadrul unei secvenţe genetice.

La început, enzime specializate sunt folosite pentru a separa chimic „firele” de ADN la poziţii specifice din structura secvenţei genetice. Acest proces are ca rezultat fragmente de ADN de dimensiuni diferite pentru diferite persoane. Aceste fragmente de ADN sunt cufundate într-un gel special la nivelul căruia este aplicat un curent electric. Fragmentele de ADN de diferite dimensiuni se deplasează prin gel cu viteze diferite la momentul aplicării curentului electric. Rezultatul este o distribuţie specifică a ADN-ului în soluţia coloidală, pe baza căreia poate fi identificat „posesorul” ADN-ului. Modelul astfel obţinut este o aşa-zisă „amprentă ADN”, unică fiecărui individ în parte.

Informaţiile dintr-o celulă bacteriană ar umple o carte de o mie de pagini

Informaţiile, indiferent de natura lor, ca imagini, sunete sau cuvinte, pot fi stocate şi procesate în multe feluri. Celulele vii îşi stochează şi procesează informaţiile pe cale chimică, compusul de bază fiind ADN-ul. Acesta este transmis în momentul diviziunii celulare şi al reproducerii organismelor, capacităţi indispensabile vieţii.

ADN-ul poate fi comparat cu o serie de reţete, fiecare reţetă implicând procese ce se desfăşoară în anumite etape succesive. La rândul lor, etapele sunt descrise în termeni precişi. Însă, în loc de un tort sau o prăjitură, rezultatul final poate fi, spre exemplu, o roşie sau un cal.

Informaţia genetică este stocată atât timp cât este necesar, pentru a înlocui celulele îmbătrânite sau bolnave cu unele noi, sănătoase, sau pentru a transmite anumite trăsături urmaşilor.

ADN-ul conţine un volum foarte mare de informaţii. Despre bacterie, care este unul dintre cele mai mici organisme, cercetătorul german Bernd-Olaf Küppers spunea: „Transcris în limbaj uman, textul molecular care descrie formarea celulei bacteriene ar umple o carte de aproximativ o mie de pagini”. David Deamer, profesor de chimie, a afirmat, pe bună dreptate: „Până şi cea mai simplă formă de viaţă este de o complexitate uluitoare!”. Ce se poate spune, în schimb, despre genomul uman? „Ar umple o bibliotecă cu câteva mii de volume”, a precizat cercetătorul Küppers.

Codul genetic este scris într-un mod pe care îl putem înţelege

A numi scrierea din ADN „limbaj genetico-molecular” nu este o „simplă metaforă”, a spus Küppers. El a adăugat: „La fel ca limbajul uman, limbajul genetico-molecular are o dimensiune sintactică”. Cu alte cuvinte, ADN-ul are o „gramatică” sau un set de reguli, care reglementează cu stricteţe modul în care instrucţiunile sunt compuse şi respectate.

„Cuvintele” şi „propoziţiile” din ADN alcătuiesc diferite „reţete”, care stabilesc cum sunt produse proteinele şi alte substanţe care formează diferitele tipuri de celule ale trupului. De exemplu, o anumită„reţetă” poate comanda obţinerea de celule osoase, o alta obţinerea de celule musculare, nervoase sau epidermice.

Biologul Matt Ridley a scris: „Filamentul de ADN este informaţia, un mesaj scris într-un cod de substanţe chimice, câte una pentru fiecare literă. Deşi pare prea frumos ca să fie adevărat, codul s-a dovedit a fi scris într-un mod pe care îl putem înţelege”.

Cum a ajuns informaţia în ADN?

Când a fost descoperit cel mai sofisticat cod cunoscut vreodată de om, codul chimic al vieţii, mulţi oameni de ştiinţă s-au întrebat: „Cum a ajuns informaţia acolo?”

Este remarcabil faptul că au existat şi oameni de ştiinţă, aşa cum sunt dr. Gene Hwang şi profesor Yan-Der Hsuuw, care au dat explicaţii pline de bun-simţ.

Dr. Gene Hwang a fost profesor de matematică la Universitatea Naţională Chung Cheng din Taiwan. De asemenea, el este profesor emerit la Universitatea Cornell (SUA), unde a predat şi a făcut cercetări în domeniul probabilităţilor şi statisticii. El studiază baza matematică a geneticii.

Într-un interviu pe care l-a acordat unei revistei, acesta spunea: „Cu cât m-am gândit mai mult la originea vieţii, cu atât m-am convins că prima formă de viaţă trebuie să fi fost foarte complexă. De exemplu, trebuie să fi avut capacitatea de a se reproduce, ceea ce necesită informaţie genetică şi un mecanism de replicare exactă a acelei informaţii. De asemenea, chiar şi cea mai simplă celulă vie are nevoie de maşinării moleculare pentru construirea tuturor părţilor unei celule noi, precum şi de mijloace pentru valorificarea şi direcţionarea energiei. Cum ar putea nişte mecanisme atât de complexe să se formeze la întâmplare din materie nevie? Ca matematician, nu puteam să accept o asemenea ipoteză. Pretinde mult prea mult din partea unor procese întâmplătoare. În ultimii ani am oferit suport matematic pentru oamenii de ştiinţă care studiază funcţia genei. Studiul geneticii oferă o înţelegere mai clară a mecanismelor vieţii, înţelegere care mă umple de admiraţie faţă de înţelepciunea lui Dumnezeu.”

Un alt om de ştiinţă, profesorul Yan-Der Hsuuw, care este directorul Centrului de cercetare embrionară din cadrul Facultăţii de Ştiinţe şi Tehnologie a Universităţii Naţionale Pingtung din Taiwan, a afirmat, cu privire la diviziunea celulară şi la specializarea celulelor: „Un anumit tip de celule trebuie produse într-o anumită ordine şi într-un anumit loc. Mai întâi, ele se grupează formând ţesuturi, care, la rândul lor, se grupează formând organe şi membre. Niciun inginer din  lumea asta n-ar putea să scrie vreodată instrucţiunile pentru un astfel de proces! Totuşi, instrucţiunile pentru dezvoltarea embrionului sunt scrise cu măiestrie în ADN. Când mă gândesc la frumuseţea întregului proces, sunt şi mai convins că viaţa a fost creată de Dumnezeu”.