Sejtek élőlények - könyvtárak több ezer oldalnyi információval

1953-ban két molekuláris biológus, James Watson és Francis Crick az élet megértése szempontjából nagy jelentőségű felfedezést tett közzé: a DNS kettős spirál szerkezetét. A legtöbb sejt magjában található DNS-molekula kódolt információt tartalmaz, így a sejtek valódi élő könyvtárak.

Mik azok a sejtek?

A sejtek minden élő szervezet alapvető szerkezeti, funkcionális és genetikai egységei. A sejtet Robert Hooke fedezte fel. Ez az élet legkisebb, élőlénynek minősíthető egysége, és gyakran nevezik az "élet építőelemének". Egyes organizmusok egyszerűbbek, mint például a legtöbb baktérium, és egysejtűnek nevezik őket, mivel egyetlen sejtből állnak. Más szervezetek összetettebbek, mint például az ember, aki többsejtű lény.

A sejt szó a latin "cell" kifejezésből származik. sejtami azt jelenti, "kis szoba". Ezt a szót, amely a biológiai élet legkisebb szerkezetét jelenti, Robert Hooke angol tudós adta, aki csillagászként és fizikusként is jeleskedett. Hooke megelőlegezte korának néhány legfontosabb felfedezését és találmányát. Számos megfigyelési és mérési eszközt (távcsövet, hőmérőt, mikroszkópot) talált fel és tökéletesített. A gregorián távcsővel Hooke figyelte meg először a növényi sejteket. Egy 1665-ben megjelent könyvében Hooke a "sejt" kifejezést használja, a mikroszkópján keresztül látott parafa sejteket a szerzetesek kis lakóhelyeihez hasonlítja.

A sejtek információt tartalmaznak

Ha azt kérdeznénk, hogyan fejlődik egy fa a magból, vagy hogyan fejlődik egy ember a megtermékenyített petesejtből, vagy hogyan örököltünk bizonyos személyiségjegyeket, a válaszok mindezekre a kérdésekre a sejtekben, pontosabban a sejt DNS-ében található információhoz kapcsolódnak.

A dezoxiribonukleinsav, vagy röviden DNS egy összetett szerves molekulákból álló nukleinsav. A DNS az élőlények minden sejtjében megtalálható, és alapvető fontosságú az adott szervezet identitásához.

A DNS a szervezet genetikai anyaga, és a kromoszómák fő kémiai építőköve. Minden kromoszóma tartalmaz egy DNS-molekulát, amely támogatja a sejtek tevékenységének irányítását és az örökletes tulajdonságok átadását.

A DNS-molekula nagyon hosszú, és két, egymás köré csavart, kettős spirált alkotó szálból áll. A DNS-szálakon lévő szerkezetek sorrendje egy speciális kódot, a genetikai kódot alkotja, amely meghatározza a test kinézetét, növekedését és működését.

Az egyik szálon az enzimek által végzett fehérjeszintézist koordináló információ található. A fehérjék irányítják a sejtek aktivitását. A sejtosztódás során az enzimek szétválasztják a két szálat, és két új szálat szintetizálnak a régiek elé. Így két új DNS-molekula jön létre, amelyek azonosak az eredetivel. Ezt a két új DNS-molekulát egy-egy másik leánysejt számára szánják. Ez a DNS-replikációnak nevezett jelenség biztosítja a genetikai azonosságot a sejtek szaporodása során.

A DNS-molekula nemcsak az önreprodukcióhoz szükséges információt kódolja, hanem egy egész élő szervezet felépítéséhez szükséges információt is. Egy méh, egy hal, egy fülemüle vagy egy ember egyedi tervrajzai egy több milliárd betű hosszú molekuláris kódban vannak beágyazva az adott szervezet DNS-szerkezetébe.

A DNS hosszú, csavart létráknak tűnik. Az emberi genomban - a genetikai anyagunk összességében - a létráknak körülbelül hárommilliárd kémiai "lépcsőfokuk" van. A tudósok ezeket a lépcsőfokokat bázispároknak nevezik, mivel minden lépcsőfok két vegyi anyagból áll. Összesen négy ilyen anyag van, amelyeket adeninnek, timinnek, citozinnak és guaninnak neveznek. Ezeket a kezdőbetűikkel kódolják: A, T, C és G. A DNS spirál kettős spirál alakú, ún. A "létra" minden egyes lépcsőfokán a négy nitrogénbázisból kettő együtt létezik, és mindig A és T vagy G és C párossal rendelkezünk, így ha a létra egyik lépcsőfokának egyik oldalát ismerjük, automatikusan a másik oldalát is ismerjük. Lépésről lépésre és 3 milliárd betű árán így feltárul a "képlet", az ember kialakulásához szükséges "kód".

Ennek az apró kódnak a létezése, amely molekulánként íródik minden egyes sejtben, önmagában is korszakalkotó felfedezés. Az 1960-as évek óta azonban a tudósok még ennél is többet tettek: "leolvasták", más szóval dekódolták ezt a kódot, azaz betűről betűre megvizsgálták, és különböző formában rögzítették vagy megjegyezték mind az emberi genomot, mind más élőlények genetikai kódjait.

Azonosítás DNS-bizonyíték alapján

A DNS-molekula egy "csavart vagy spirális létrához" hasonlítható. A létra lépcsőfokai a következő négy molekulából állnak: adenin, timin, citozin és guanin. Ez a négy molekula jelenti a genetikai kódot alkotó "betűket". Lépésről lépésre ezek a betűk alkotják azokat a formulákat, amelyek minden élő szervezetet meghatároznak. Az emberi lényhez tartozó képlet - az emberi genom - több mint 3 milliárd betűt tartalmaz.

Genetikai szinten mindannyian szinte azonosak vagyunk. Bár az emberi gének közötti különbségek az emberi genom méretéhez képest jelentéktelenek, a modern DNS-dekódolási technológiák képesek kimutatni és azonosítani ezeket a különbségeket. Az egyes emberek genetikai kódjának egyedisége olyan tulajdonság lehet, amely a dekódolási eljárást igen hasznos eszközzé teheti a legkülönbözőbb alkalmazásokban, a DNS-alapú azonosítástól és az apaság megállapításától kezdve a törvényszéki orvostudományig és a bűnügyi nyomozásig.

Az e területen dolgozó szakemberek a legkisebb emberi szövetmintákból is képesek DNS-mintákat kinyerni és kivonni. A mennyiségileg elegendő és minőségileg megfelelő minta kinyerése után megkezdődik a "DNS-elektroforézisnek" nevezett többlépcsős folyamat, amely eljárás a genetikai szekvencián belüli legkisebb molekuláris különbségeket is feltárja.

Először speciális enzimeket használnak arra, hogy kémiailag szétválasszák a DNS-"szálakat" a genetikai szekvencia szerkezetének meghatározott helyein. Ez a folyamat különböző méretű DNS-töredékeket eredményez a különböző egyéneknél. Ezeket a DNS-darabkákat egy speciális gélbe merítik, amelyre elektromos áramot kapcsolnak. A különböző méretű DNS-darabkák az elektromos áram hatására különböző sebességgel mozognak a gélen keresztül. Az eredmény a DNS sajátos eloszlása a kolloid oldatban, amelyből azonosítható a DNS "tulajdonosa". Az így kapott mintázat egy úgynevezett "DNS-ujjlenyomat", amely minden egyes személyre egyedi.

Egy baktériumsejtben lévő információ egy ezeroldalas könyvet is megtöltene.

Az információ, legyen az kép, hang vagy szó, sokféleképpen tárolható és feldolgozható. Az élő sejtek kémiai úton tárolják és dolgozzák fel információikat, az alapvető vegyület a DNS. Az információ a sejtosztódás és a szaporodás során kerül átadásra, amelyek az élet alapvető képességei.

A DNS-t receptek sorozatához hasonlíthatjuk, amelyek mindegyike egymást követő lépésekben zajló folyamatokat tartalmaz. A lépéseket viszont pontos kifejezésekkel írják le. De a végeredmény egy torta vagy egy sütemény helyett lehet például egy paradicsom vagy egy ló.

A genetikai információt addig tárolják, amíg szükséges ahhoz, hogy az öregedő vagy beteg sejteket új, egészséges sejtekkel helyettesítsék, vagy hogy bizonyos tulajdonságokat átadjanak az utódoknak.

A DNS hatalmas mennyiségű információt tartalmaz. Bernd-Olaf Küppers német kutató elmondta a baktériumról, amely az egyik legkisebb élőlény: "A baktériumsejt kialakulását leíró molekuláris szöveg emberi nyelvre átírva egy körülbelül ezer oldalas könyvet töltene meg". David Deamer vegyészprofesszor joggal mondta: "Még a legegyszerűbb életforma is elképesztően összetett!". De mi a helyzet az emberi genommal? "Ez egy több ezer kötetes könyvtárat töltene meg" - mondta Küppers kutató.

A genetikai kódot úgy írják le, hogy megérthessük.

Küppers szerint a DNS-ben lévő írás "molekuláris-genetikai nyelvnek" nevezése nem "puszta metafora". Hozzátette: "Az emberi nyelvhez hasonlóan a molekuláris-genetikai nyelvnek is van szintaktikai dimenziója". Más szóval, a DNS-nek van egy "nyelvtana" vagy szabályrendszere, amely szigorúan szabályozza, hogy az utasításokat hogyan kell összeállítani és követni.

"A DNS-ben található "szavak" és "mondatok" különböző "recepteket" alkotnak, amelyek meghatározzák, hogy a test különböző típusú sejtjeit alkotó fehérjék és más anyagok hogyan termelődnek. Az egyik "recept" például a csontsejtek, a másik az izom-, ideg- vagy bőrsejtek előállítását irányítja.

Matt Ridley biológus írta: "A DNS-szál információ, egy üzenet, amelyet kémiai kóddal írtak, minden egyes betűhöz egy kódot. Bár ez túl szépen hangzik ahhoz, hogy igaz legyen, kiderül, hogy a kódot úgy írták meg, hogy megérthetjük."

Hogyan került az információ a DNS-be?

Amikor felfedezték az ember által valaha ismert legkifinomultabb kódot, az élet kémiai kódját, sok tudós azon tűnődött, hogy "Hogyan került oda az információ?".

Figyelemre méltó, hogy voltak olyan tudósok, mint Dr. Gene Hwang és Yan-Der Hsuuw professzor, akik józan ésszel magyarázatot adtak.

Dr. Gene Hwang a tajvani National Chung Cheng University matematika professzora volt. Emellett a Cornell Egyetem (USA) nyugalmazott professzora, ahol valószínűséget és statisztikát tanított és kutatott. A genetika matematikai alapjait tanulmányozza.

Egy magazinnak adott interjúban azt mondta: "Minél többet gondolkodtam az élet eredetéről, annál inkább meggyőződtem arról, hogy az élet első formájának nagyon összetettnek kellett lennie. Például rendelkeznie kellett a szaporodás képességével, amihez genetikai információra és egy olyan mechanizmusra van szükség, amely pontosan lemásolja ezt az információt. Emellett még a legegyszerűbb élő sejtnek is szüksége van molekuláris gépezetre, hogy egy új sejt minden részét felépítse, valamint eszközökre az energia hasznosításához és irányításához. Hogyan alakulhattak ki véletlenszerűen ilyen összetett mechanizmusok nem élő anyagból? Matematikusként nem tudnék elfogadni egy ilyen hipotézist. Túl sokat követel a véletlenszerű folyamatoktól. Az elmúlt években matematikai támogatást nyújtottam a génműködést vizsgáló tudósoknak. A genetika tanulmányozása világosabb megértést nyújt az élet mechanizmusairól, egy olyan megértést, amely csodálattal tölt el Isten bölcsessége iránt."

Egy másik tudós, Yan-Der Hsuuw professzor, aki a tajvani Nemzeti Pingtung Egyetem Természettudományi és Technológiai Karán működő Embriókutató Központ igazgatója, a sejtosztódásról és a sejtek specializációjáról a következőket mondta: "Egy bizonyos típusú sejtnek egy bizonyos sorrendben és egy bizonyos helyen kell termelődnie. Először csoportosulnak, hogy szöveteket alkossanak, amelyek viszont csoportosulnak, hogy szerveket és végtagokat alkossanak. A világ egyetlen mérnöke sem tudná megírni egy ilyen folyamat utasításait! Az embriók fejlődésének utasításait azonban mesterien megírta a DNS. Amikor az egész folyamat szépségére gondolok, még inkább meg vagyok győződve arról, hogy az életet Isten teremtette."