Den universella gåtan

Koonin och Novozhilov skriver att en av egenskaperna hos den ge­ne­tiska koden som är särskilt intressant är att den verkar ha en in­byggd minimering av risken för felöversättningar och punktvisa muta­tioner, medan den samtidigt verkar vara optimerad för att tillåta att ytterligare information läggs till i de proteinkodande sekvenserna. Så här skriver de:

"Idag finns det omfattande bevis för att standard­koden inte är bok­stavligt universell utan är utsatt för betydande förändringar, dock utan att den grundläggande upp­bygg­naden har ändrats. […] I sina grund­läggande drag verkar kodens struktur inte ha ändrats under livets hela historia. […] Denna universella utbredning av den ge­ne­tis­ka koden och dess uppenbart icke-slumpmässiga struk­tur ropar på en för­klaring…"[2]

Enligt Koonin och Novozhilov är en av de största gåtorna hur det kom­plexa systemet för transkription, det vill säga översättning från DNA till RNA i cellerna, har uppstått och utvecklats. Man hamnar snabbt i ett cirkelresonemang: ”Vad skulle kunna vara den selektiva kraften bakom evolutionen av det extremt komplexa översättnings­sys­temet innan det fanns fungerande proteiner? Och självklart skulle det inte finnas några proteiner utan ett tillräckligt effektivt översätt­nings­system.” De båda vetenskapsmännen avslutar sin artikel så här:

"Det verkar som att den tvådelade, grundläggande frå­gan: ’varför är den ge­netiska koden som den är och hur uppstod den?’, som ställdes för över 50 år sedan i mole­kylärbiologins gryning, kan förbli relevant i yt­ter­ligare 50 år. Vår tröst är att vi inte kan komma på ett mer grund­läg­gande problem inom biologin."[3]

Den unika cellen

Det är inte bara kodsystemet (DNA, RNA, kodoner och aminosyror) som är ge­men­samt för allt liv på jorden. Den grundläggande upp­bygg­naden och funktionen hos cellerna är den­samma hos alla kända varelser i hela värl­den. I Molecular Biology of the Cell listas de egenskaper som alla celler har gemensamt[4]:

• Alla celler lagrar sina arvsanlag med hjälp av samma linjära ke­miska kod (DNA).

• Alla celler kopierar sin ärftliga information genom att skapa komp­lementära DNA-strängar.

• Alla celler transkriberar delar av sina arvsanlag till samma mel­lanliggande form (RNA).

• Alla celler använder proteiner som katalysatorer, det vill säga äm­nen som styr de kemiska reaktionerna i cellen.

• Alla celler översätter RNA till proteiner på samma sätt.

• Alla celler fungerar som biokemiska fabriker som arbetar med sam­ma grundläggande molekyler som byggstenar.

• Alla celler är inneslutna i ett membran, som näringsämnen och av­fallsmaterial måste passera igenom.

Man har också uppskattat att mer än 260 gener är gemensamma för al­la celler på jorden. Det gäller framför allt gener som reglerar tran­skrip­tions- och översättningssystemen från DNA via RNA till protein, samt gener för ener­gi­produktion och för transport av aminosyror och nukleo­tider. Det är egentligen inte så konstigt att just dessa gener har blivit bevarade genom årmiljonernas lopp. Om det till exempel blir fel i en gen som sköter bildandet av ett nödvändigt protein, så överlever inte den drabbade cellen och felet förs inte vidare. Därför har de mest grund­läg­gande generna be­varats i miljardtals år.

Den trångbodda DNA-strängen

Något som också måste ha utvecklats mycket tidigt i livets historia är hur den långa DNA-strängen lagras inuti en cell. Bakterier har ett jäm­förel­se­vis kort DNA (till exempel E-coli vars DNA är omkring 1,6 mil­limeter långt), men det är ändå alldeles för långt för att få plats i den lilla bakteriecellen. Därför tar cellen hjälp av olika proteiner för att vika ihop DNA-strängen så att den får plats. Ju längre DNA en organism sedan har, desto mer arbete krävs för att få plats med all information. En människas DNA kan till exempel vara mer än två meter långt i varje cell. Därför tar alla eukaryoter och många arkéer hjälp av ett slags runda proteiner som kallas histoner och rullar sitt DNA omkring dessa. Histonerna formar sig sedan i en spiral­fjäder­liknande struktur, som i sin tur är inpackad i en eller flera kromosomer, se Figur 1. DNA-molekylen kan lin­das olika ”tätt” omkring histo­ner­na, så att de olika delarna blir mer eller mindre tillgängliga för att läsas. De gener som an­vänds ofta i en specifik cell kan vara lösare packade och lättare att komma åt. I en spermie, där DNA bara ska transporteras och inte behöver läsas alls, packas DNA mycket kompakt omkring protaminer i stället för omkring histoner, och blir då helt oläsbart[5]. Men väl inne i ägget packas strän­gen upp igen.

Geraint F. Lewis och Luke A. Barnes kommer in på den biologiska – och fysiska – finjustering som krävs för att denna packning ska vara möj­lig. De beskriver det som att DNA-molekylen ”rullar ihop sig i slin­gor inuti slingor och packar in sig själv i den lilla volym som finns till­gänglig i cellens kärna.”[7] Att vissa molekyler kan vika ihop sig beror på det inbördes förhållandet mellan tilldragande och bortstötande kraf­ter mel­lan atomernas positivt laddade kärnor och deras negativt laddade elek­troner. En vattenmolekyl, som ju består av en syreatom och två vä­te­atomer, är till exempel sammansatt på så sätt att vinkeln mellan väte­atomerna och syreatomen är 104,45 grader. Denna vinkel gör vatten­molekylen ”polär”, vilket bidrar till vattnets unika egenskaper. Större molekyler kan vika och skruva sig på andra sätt, men även i dessa mole­kyler är det laddningarna i de ingående atomerna som avgör hur de viker sig. Vilken tur för oss att DNA-molekylen kan rulla ihop sig som den gör, så att alla de miljontals instruktionerna kan få plats trots det otroligt begränsade utrymmet i våra celler!

Lika viktiga som DNA-molekylens ihoprullning, är proteinernas for­mer. Beroende på vilka aminosyror som proteinerna är sammansatta av "vecklar" de ihop sig på olika sätt. Detta är en helt avgörande egenskap, eftersom de delar av molekylen som utför proteinets särskilda uppgift oftast sitter på utsidan. Om molekylen vecklar ihop sig fel kan den för­lora sin funktion, eller till och med få en skadlig funktion, som de prio­ner som orsakar ”galna ko-sjukan” (Creutzfeldt–Jakobs sjuk­dom). Le­wis och Barnes berättar:

"Om man försiktigt hettar upp ett prov med proteiner så vecklar de hårt bundna proteinmolekylerna ut sig på grund av den extra energin. Om man sedan låter dem svalna igen vecklar de ihop sig själva till den tidigare for­men. Detta är förbluffande efter­som den långa kedje­molekylen inte har något minne av sin ur­sprung­liga form. Det är bara trycket och draget från elektroner och [atom]kärnor som kan styra dem till rätt läge. Vi vet inte riktigt hur de gör det – detta ’proteinviknings-problem’ är ett av de större kvarstående problemen i mo­dern ve­ten­skap."[8]

[1], [2], [3] Koonin, Eugene V., Novozhilov, Artem S.. ”Origin and evolution of the genetic code: the universal enigma”. IUBMB Life, 2009. doi: 10.1002/iub.146. Översatt från engelskan av mig. Kursivering av mig.

[4] Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Morgan, David; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter. Molecular Biology of the Cell. 6th edition. W. W. Norton & Company, New York 2014. Sid iii. Kindle Edition.

[5] Stevens, Kathryn M.; Swadling, Jacob B.; Hocher, Antoine. ”Histone variants in archaea and the evolution of combinatorial chromatin complexity”. PNAS, december 2020. Läst juli 2022. https://doi.org/10.1073/pnas.2007056117

[6] Sha, K. and Boyer, L. A.. ”The chromatin signature of pluripotent cells”. StemBook, ed. The Stem Cell Research Community, StemBook maj 2009. doi/10.3824/stembook.1.45.1, http://www.stembook.org. Licensierad enligt Creative Commons Attribution 3.0 Unported license. Svensk text av mig.

[7] Lewis, Geraint F.; Barnes, Luke A.. A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos. Cambridge University Press, Cambridge 2020. Kindle Edition. Sid 38. Översatt från engelskan av mig.

[8] Ibid. Sid 39. Översatt från engelskan av mig.

[9] Bild: Depositphotos

Artikelförfattare: © Peter Asteberg. Publicerad: 2026-01-20