Enzymy muszą dwoić się i troić, aby bezbłędnie powielać informacje zawarte w kodzie genetycznym. Ale czy to wystarczy, by zadowolić surowego egzaminatora – Dobór Naturalny?

Maciek Polimeraza Delta biegł przez puste korytarze Szkoły Zawodowej Enzymów im. Eduarda Buchnera. Ostatnie echa dzwonka odbijały się jeszcze od ścian, ale drzwi do sali, w której odbywały się warsztaty z replikacji, były już zamknięte. Maciek delikatnie uchylił je i wśliznął się do środka. Pani Interfaza spojrzała na niego wyrozumiale, westchnęła i kontynuowała zajęcia.

– Dobrze, już siadaj. Na ostatnich zajęciach omawialiśmy inicjację, dziś zajmiemy się może najważniejszym etapem replikacji, czyli elongacją. Kto mógłby nas wprowadzić?

Jeszcze zanim nauczycielka dokończyła pytanie, w powietrze wystrzeliła rączka Prymazy, klasowej prymuski.

Informacja

Z ostatniej chwili! To pierwsza z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

– Jest to proces wydłużania kopiowanej nici DNA. Podczas pierwszego etapu moja mama, to znaczy Prymaza, wytworzyła na rozplątanej nici startery. Od nich Polimeraza zacznie teraz proces elongacji, czyli będzie dobudowywać komplementarne literki kodu genetycznego na rozplątanej nici.

– Bardzo dobrze. To może ktoś nam teraz powie coś o tym, dlaczego literki są komplementarne.

Ręka Prymazy znowu wystrzeliła, a gdy nikt inny się nie zgłosił, nauczycielka pozwoliła jej mówić.

– Oznacza to, że literki kodu połączone są ze sobą parami. T łączy się zawsze z A, G zaś łączy się z C. Dzięki temu obie zbudowane na matrycy pojedynczych nici cząsteczki DNA będą identyczne.

– A dlaczego jest to takie ważne?

Prymaza nie czekała nawet na pozwolenie i mówiła dalej.

– Ponieważ celem replikacji jest wytworzenie dwóch identycznych cząsteczek DNA z jednej. Zostaną one rozdzielone do komórek potomnych, gdy komórka rodzicielska się rozmnoży.

– Psze pani, ale jak to jest, że komórka się mnoży przez dwa, skoro się dzieli przez dwa? – zapytała niby naiwnie Lucyferaza, znana w całej szkole mącicielka spokoju. Klasa parsknęła śmiechem, lecz gdy pani Interfaza podniosła wzrok, wszyscy natychmiast się uciszyli.

– Bardzo zabawne. Tym razem, zapewne przypadkowo, mówisz z sensem. Jak to się dzieje, że komórka pęka na pół i po chwili staje się dwoma w pełni funkcjonującymi bytami?

Prymaza nie kazała długo czekać na odpowiedź.

– Każda z nich to produkt podziału komórki matki. Zawartość wyjściowej cząsteczki jest równomiernie rozdzielana ­na potomne, dzięki czemu każda z nich będzie potrafiła działać samodzielnie. Najważniejsze, by nowe komórki zostały wyposażone w materiał genetyczny, z którego będą mogły odczytać instrukcje niezbędne do swojego funkcjonowania.

– Zgadza się. Może teraz ktoś inny. Maciek Polimeraza! Kto jak kto, ale ty z pewnością wiesz, co wydarza się w trakcie elongacji.

Zapadła cisza. Ojciec Maćka był znaną Polimerazą i nie miał sobie równych w procesie elongacji. Potrafił bezbłędnie skopiować dwa tysiące literek w ciągu sekundy. Z Maćkiem sprawa miała się jednak inaczej. Wywołany do odpowiedzi zacinał się i jąkał, co tylko potęgowało jego zdenerwowanie. Drżącym głosem próbował wyjaśnić, że replikacja to proces skomplikowany, wieloetapowy i wymagający zaangażowania wielu różnych białek. Chciał powiedzieć o tym, że on sam, jako Polimeraza DNA Delta, odgrywa w tym procesie kluczową rolę. Pochwalić się, że jego tata błyskawicznie dobudowuje literki, jednocześnie sprawdzając poprawność przyłączeń tak wydajnie, że myli się wyłącznie raz na dziesięć milionów literek. Niestety, nerwowa czkawka uniemożliwiła Maćkowi mówienie. Z opresji wybawił go dzwonek kończący lekcję.

– Do zobaczenia na egzaminie! Maćku, zostań, proszę, jeszcze chwilkę.

Enzymy wysypały się z sali. Maciek rozejrzał się po pomieszczeniu. Na ścianach widniały ręcznie syntetyzowane plakaty przedstawiające szlaki metaboliczne, układające się w mandale wynikowości, które napełniały Maćka spokojem, tak jakby wszystko dookoła było na swoim miejscu i działało, jak należy. Zaraz jednak poczuł, że chyba on sam jest elementem niepasującym do tej układanki. Co z niego za Polimeraza, skoro nie potrafi sklecić kilku zdań, a co dopiero literować całe powieści. Pani Interfaza poprosiła go, by usiadł przy biurku.

– Słuchaj, ja wiem, że ty wiesz. Wiem, że jesteś zdolny i nawet nie aż tak bardzo leniwy, ale musisz zrozumieć, że enzym taki jak ty nie może sobie pozwolić na zacinanie się. Polimerazy muszą być dokładne, powtarzalne aż do bólu. Może twój ojciec mógłby się podzielić z tobą doświadczeniem? Myślę też, że pomog­łaby ci wizyta u dr Helikazy.

Sekret ciągłości gatunków

W domu Maciek poprosił o radę ojca. „Pamiętaj, synu – przemówił rodzic uroczystym tonem – że rolą Polimerazy jest bezbłędne powielanie informacji zawartej w kodzie genetycznym. Powinieneś być skupiony, nie pozwolić niczemu cię rozproszyć. Musisz zrozumieć, że jesteś wybitną jednostką, a na twoich barkach spoczywa odpowiedzialność za najważniejszy proces komórkowy. Od ciebie zależy ciągłość gatunkowa! Gdyby nie bezbłędna Polimeraza, potomstwo nie byłoby podobne do rodziców, a krowy rodziłyby kozy. Wyobraź sobie ten chaos!”.

Następnego dnia zamiast na zajęcia z transkrypcji Maciek poszedł na spot­kanie ze szkolną psycholog, dr Helikazą. Była to świetna specjalistka, znana z umiejętności rozwiązywania nawet najbardziej zawiłych problemów. Jej spowity w spokojny mrok gabinet wydawał się pusty. Maciek przyglądał się zawieszonym na ścianach zdjęciom. Jedno z nich przykuło jego uwagę. Przedstawiało grupę enzymów w szkolnych mundurkach. Wśród nich Maciek rozpoznał stojącą na uboczu panią Helikazę. Nie mógł też nie dostrzec swojego ojca, gwiazdy szkoły, który znajdował się w centralnym punkcie zdjęcia, otoczony przyjaciółmi. I tylko jego spojrzenie zdradzało sekret: skierowane było w bok, na panią Helikazę.

– Nie wiedziałeś? – z zamyślenia wyrwała go dr Helikaza. – Byliśmy z twoim ojcem na jednym roku. On, prymus, laureat olimpiady ze zwijania białek i kapitan drużyny osmotycznej. A ja… cóż, jak widzisz, stroniłam od towarzystwa.

– Nigdy mi o pani nie opowiadał.

– W czasach szkolnych byliśmy ze sobą bardzo blisko. Znajomość ze mną nie przysparzała mu popularności, więc raczej się z nią nie obnosił. Słyszałam, że nie wychodzi ci elongacja.

– Ojciec już wszystko mi wytłumaczył. Muszę być bezbłędny i szybki!

– A czy ojciec opowiadał ci, jak to było z jego lekcjami elongacji? Zanim zaczęliśmy współpracować, był powolny jak ślimak.

– Chyba pani żartuje, mój ojciec jest najszybszy.

– Za czasów szkolnych było inaczej. Może teraz rzeczywiście jest najszybszy, ale pamiętaj: żadne białko nie jest w stanie wydajnie działać samo. Każdy proces metaboliczny i każda funkcja komórkowa wymagają współpracy wielu białek wykonujących różne zadania. Weźmy choćby cykl Krebsa: dehydrogenaza bursztynianowa utlenia bursztynian, jednak tylko wtedy, gdy w pobliżu znajdzie się także koenzym FAD. Wyprodukowany w tej reakcji fumaran trafia w ręce Fumarazy, która dodaje do niej cząsteczkę wody. Produktem tej reakcji…

– …jest L-jabłczan. Tak, wiem. Ale replikacja to coś innego. Tutaj ważą się losy naszego domu.

– Mam dla ciebie propozycję. Spróbuj spojrzeć na swoją przyszłą specjalizację jak na cykl metaboliczny, w którym każdy z zaangażowanych enzymów jest niezastąpiony, a wysoka produktywność to nie wynik wyjątkowego talentu pojedynczego białka, lecz synchronizacji i współpracy wszystkich pracowników. Pamiętaj o tym podczas egzaminu. Replikacja to ogromne przedsięwzięcie. Nawet twój ojciec nie mógłby przeprowadzić jej sam.

– Nigdy mi nie mówił, że ktoś mu w pracy pomaga.

– Zawsze był dumny, ale zdradzę ci pewną tajemnicę. Nazywam się Helikaza, bo potrafię rozplątywać podwójną helisę DNA i dzięki temu twój ojciec może na niej spokojnie wykonywać swoje akrobacje. Nie martw się więc, że nie dajesz rady sam. Nikt nie jest samowystarczalny, nikt nie jest samotną wyspą lipidową. A teraz leć, bo spóźnisz się na egzamin! I pozdrów ojca!

Egzamin zawodowy

Odświętnie ubrane enzymy tłoczyły się przy drzwiach do sali gimnastycznej. Maciek dotarł na miejsce w ostatniej chwili i przecisnął się przez tłum do swoich przyjaciół. Każdemu wetknął w dłoń karteczkę, na której rozpisał rady przekazane mu przez panią Helikazę. Gdy wszyscy już usiedli i słuchali przemówienia głównego egzaminatora, grupa wtajemniczonych wymieniała porozumiewawcze spojrzenia. Kluczowym etapem egzaminu było skopiowanie podanej sekwencji DNA. Z początku egzaminator czujnie przyglądał się uczniom, jednak w pewnym momencie opuścił salę bez słowa. Klasa pani Interfazy rozpoczęła replikację.

Na dwuniciowym ciągu znaków zbudowanym z kilku milionów liter sześcioraczki ORC odnalazły 300-literowe słowo oznaczające START. Helka, córka pani Helikazy, chwyciła spiralę DNA i rozerwała na dwie nitki. W tym czasie Gyraza dbała o to, żeby naprężenia na scalonej jeszcze części nie spowodowały pęknięcia. Pojedyncze już nici DNA niczym ufne kotki ukazały swoje miękkie brzuszki.

Do jednej z pojedynczych nici przyczepiła się Prymaza, żeby nabudować na matrycy kilka pierwszych literek kodu wskazujących reszcie ekipy ich miejsce pracy. Rozłączone nitki zaczęły się wić i plątać, co oczywiście było niedopuszczalne, ale klasa pani Interfazy trenowała ten scenariusz przez trzy semestry. Enzymy SSB, klasowe chucherka, przylgnęły do niesfornych nitek całymi ciałkami i klarowały wszelkie nieprawidłowości.

Teraz nadszedł ciężki moment – ekipa musiała podzielić się na dwie drużyny. Wynikało to z faktu, że Polimeraza potrafi przepisywać kod genetyczny tylko w jedną stronę. A nici spirali DNA po rozplątaniu są swoimi lustrzanymi odbiciami: jedna rozwija się w lewo, a druga w prawo. W związku z tym jedna drużyna przepisuje całość tekstu w nieprzerwanym ciągu, a druga musi kopiować go kawałek po kawałku, dając susy do przodu i wracając. Maciek był w tej pierwszej drużynie, więc nie musiał co chwilę przerywać przepisywania, skakać po nici jak żaba i cofać się jak rak; było mu trochę łatwiej. Jednak na drugiej nici pracowały dwie polimerazy – Alfa i Epsilon – którym pomagała Prymaza, co rusz wyznaczając nowe miejsce startu. A on, Maciek Polimeraza Delta, za całą nić wiodącą odpowiedzialny był osobiście.

Gdy tylko Prymaza zsyntetyzowała początkową sekwencję, Maciek zakasał rękawy i zabrał się do roboty. Jedną dłonią chwycił matrycę i odczytywał kolejne literki, drugą łapał wypełniające salę komplementarne nukleotydy i budował z nich nową nić. Proces przebiegał bez zakłóceń, ale w pewnym momencie zakręciło mu się w głowie i wypuścił z dłoni matrycę. Już miał upaść, gdy podtrzymały go ramiona kolegów, trojaczków Klamry DNA, których zadaniem jest utrzymanie polimerazy jak najbliżej replikowanej nici. Maciek otrząsnął się z zamroczenia i z niewyobrażalną prędkością wydłużał nić, lecz chwila słabości sprawiła, że zaczął wątpić w swoje siły. Wzrokiem szukał wsparcia wśród reszty grupy, ale każdy był zajęty swoim zadaniem. Próbował zawołać, jednak słowa uwięzły mu w gardle. W tej chwili poczuł, że coś jest nie tak. Odwrócił się, ale oczy zalane potem nie pozwoliły mu stwierdzić, czy ostatnie literki spełniają zasadę komplementarności. Wydawało mu się, że zamiast nukleotydów AGT użył innych: CTT. Nie był jednak pewien, a koniec egzaminu zbliżał się nieubłaganie, więc ruszył z dalszą transzą liter. Siły powróciły i Maciek popędził do przodu. Gdy dotarł na koniec, czekała tam na niego Telomeraza, która miała już tylko dopisać króciutkie zakończenie i zamknąć proces. Zdyszany wpadł w ramiona kolegów i stracił przytomność.

Pochwała niekonsekwencji

Obudził się we własnym łóżku. Spojrzał na zegarek, zerwał się na równe nogi i pobiegł do szkoły. Wyniki egzaminu ogłoszono już godzinę temu i w przypadku Maćka nie były one dobre. O ile tempo replikacji, której dokonał, było rzeczywiście godne podziwu, o tyle nowa nić różniła się w kilku miejscach od oryginału. Błędy Maćka zaważyły na niedokładności całego procesu i z ich powodu komisja oblała całą klasę. Koledzy i koleżanki unikali go. Kolejne dwie godziny lekcyjne przesiedział w pustej bibliotece, nie mogąc znieść zawodu, który im sprawił. Wyszedł dopiero na apel, podczas którego planowano ogłoszenie oficjalnych wyników i rozdanie nagród za osiągnięcia, a co najważniejsze – miała się odbyć ceremonia nadania uprawnień zawodowych. Maciek stanął z tyłu, wciąż zawstydzony swoją porażką. Na podium wszedł główny egzaminator i rozpoczął przemówienie.

– Drodzy uczniowie, za wami egzamin zawodowy, od którego zależą wasze losy. Przed tymi, którzy podołali, rysuje się świetlana przyszłość. Obejmiecie stanowiska zgodne z waszym wykształceniem i predyspozycjami, by stać się częścią maszynerii organicznej budującej nasz wspólny dom. Ci, którzy zawiedli i nie nadają się do pracy, zostaną odesłani do proteasomu – systemu rozkładającego wadliwe białka na aminokwasy. Nie martw­cie się jednak. Choć ulegniecie rozkładowi, nadal pozostaniecie integralnymi częściami komórki, ponieważ wasze części składowe zostaną wykorzystane do budowy kolejnego pokolenia białek… Cóż, widzę, że ta perspektywa wcale was nie pociesza, więc przejdę do ogłoszenia wyników.

Egzaminator wyczytywał kolejno nazwiska enzymów i nadawał im tytuły zawodowe. Klasa pani Interfazy pozostawała niewywołana. Pod koniec ceremonii głos egzaminatora zmienił się, a na jego twarzy pojawiła się jeszcze większa powaga.

– Mam jeszcze jedną wiadomość, której nie ogłosiliśmy wcześniej, bo nie chcieliś­my siać paniki. Nadeszły ciężkie czasy. Nasz dom – nasza komórka – jest zagrożony. W przeszłości środowisko dokoła było przewidywalne i perfekcyjne kopie komórek radziły sobie w nim znakomicie, jednak dziś wszystko się zmieniło. Zewnątrzkomórkowe receptory donoszą, że nasze otoczenie przeistacza się. Nie znamy powodu tych zmian, nie znamy też ich kierunku, ale jedno jest pewne: nie poradzimy sobie bez zakwestionowania starych norm i tradycji. Komórka musi się zmienić, byśmy mogli nadążyć za przeobrażeniami zachodzącymi w świecie. Zostałem przysłany do waszej szkoły, by przeprowadzić wyjątkowy egzamin mający na celu wyłonienie jednostek zdolnych do złamania zasad i stworzenia modyfikacji, która pozwoli nam przetrwać.

Egzaminator odwrócił się tyłem do sali i uniósł dłonie do twarzy. Gdy się obrócił, był kimś innym.

– W rzeczywistości jestem Doborem Naturalnym. Moim zadaniem było odnalezienie grupy enzymów innych niż wszystkie. Proszę tu do mnie klasę pani Interfazy.

Wciąż nie dowierzając temu, co się dzieje, Maciek i jego przyjaciele weszli na scenę. Egzaminator kontynuował:

– Napisaliście nowe słowa, nowe zdania, nową opowieść. Mówi się, że prawdziwa literatura nie podąża utartymi ścieżkami, lecz kwestionuje zastane normy i podważa stare porządki. Mówi się też, że jedynie taka literatura przetrwa próbę czasu. Podobnie ma się sprawa z replikacją. Ci, którzy kopiują i nigdy się nie mylą, nie są w stanie przygotować naszej społeczności na czekające nas wyzwania. Potrzebujemy nowych narzędzi, by uporać się z nowymi problemami, i to wy będziecie źródłem nowych rozwiązań. Nie tylko nie baliście się złamać zasad, ale także postawiliście na przyjaźń i współdziałanie. Specjalne wyróżnienie należy się Maćkowi Polimerazie. Maćku! Grono pedagogiczne nie chce tego przyznać, ale ja nie zawaham się powiedzieć: twoją największą zaletą jest fakt, że nie jesteś perfekcyjny. Twoje błędy zmienią sposób, w jaki działają niektóre mechanizmy naszego domu. Pierwsze doniesienia z receptorów zewnątrzkomórkowych zdają się przemawiać za słusznością tych zmian. W związku z tym komisja rządowa postanowiła nadać ci tytuł Niewiernego Replikatora i poprosić cię o objęcie stanowiska Głównego Zarządcy Przystosowywania. W imieniu wszystkich mieszkańców dziękujemy ci za upór, z którym pracowałeś, oraz za wytrwałość pomimo przeciwności losu. Gratulacje!

Aulę wypełniły oklaski. Klasa pani Interfazy po uroczystości poszła na kremówki. I chociaż komórka nadal podlegała presji środowiska, radziła sobie całkiem nieźle. Dzięki staraniom Niewiernego Replikatora komórki potomne przystosowały się do nowych warunków i trwały jeszcze długie lata.

Nowe życie komórki

Opisana wyżej historia mogła wydarzyć się wszędzie, ale przyjmijmy, że miejscem akcji było jeziorko w pobliżu zakładu farmaceutycznego, a właściwie jeden z zamieszkujących ten zbiornik wodny mikroorganizmów. W fabryce doszło do awarii systemu usuwania zanieczyszczeń, co poskutkowało wyciekiem znacznych ilości leków do wód gruntowych.

Podczas kopiowania DNA Maciek Polimeraza pomylił się kilkakrotnie, lecz tylko jeden z jego błędów przyczynił się do przetrwania komórki i jej potomstwa. Pomyłka ta dotyczyła genu kodującego Gyrazę – enzym, który poznaliśmy podczas egzaminu, a którego zadaniem jest łagodzenie naprężeń nici DNA. W trakcie awarii do jeziorka trafiła spora ilość antybiotyków z rodziny chinolonów blokujących działanie Gyrazy. Sprawiają one, że komórka nie potrafi skutecznie dokonać replikacji, czego konsekwencją jest zaprzestanie rozmnażania i śmierć. Można jednak uodpornić się na działanie tych antybiotyków i właśnie to był efekt kluczowego błędu Maćka. Zmiana kilku literek zapisu genetycznego spowodowała nieznaczną modyfikację kształtu i działania enzymu.

Pozostałe komórki zamieszkujące jeziorko nie miały tyle szczęścia. Wszystkie kryły w swoim wnętrzu własną szkołę enzymów i własne polimerazy, ale w każdej z nich Maciek popełnił inne błędy. W większości komórek jego omyłki poskutkowały mutacjami niekorzystnymi. W innych nie doprowadziły do zmiany ani na plus, ani na minus – naukowcy nazywają takie mutacje obojętnymi. Wreszcie niektórym z komórek przydarzyły się mutacje korzystne: u jednej proces metabolizmu glukozy zachodził z wyższą wydajnością, u drugiej mechanizm recyklingu azotu zużywał mniej energii. Mogłyby się one rozmnożyć, zdobyć przewagę ewolucyjną i kto wie, może kiedyś zdominować środowisko. Niestety ich nowe umiejętności zostały przetestowane na zaprojektowanym przez człowieka probierzu doboru naturalnego – burza antybiotyków unicestwiła je, a potencjalnie genialne rozwiązania ewolucyjne zniknęły w odmętach czasu.

Cóż, tak to właśnie wygląda w środowisku naturalnym. Większość mutacji obniża sprawność komórki lub nie wpływa wcale na jej zdolności. Rzadko się zdarza, żeby błąd był korzystny, jednak w niespodziewanej sytuacji kryzysowej ratunek przynosi właśnie błąd. Dlatego z punktu widzenia całej populacji omyłki są pożyteczne. To, co dziś jest błędem, jutro może okazać się wybawieniem, a pojutrze – nową normą.