Mitä yhteistä on kakkureseptillä ja DNA:lla? – Geenien salaisuudet paljastuvat

Arjessa kohtaamme jatkuvasti ohjeita. Kakkuresepti on hyvä esimerkki: se sisältää tarkasti järjestetyn listan aineksia ja työvaiheita. Kun ohjeita noudatetaan, syntyy toimiva lopputulos: Herkullinen kakku. Arkikokemuksessamme täsmälliset, toiminnalliset ohjeet ovat tyypillisesti peräisin älyllisistä lähteistä. Esimerkissämme leipuri, joka on älyllinen olento, on tietoisesti järjestellyt kirjaimia ja numeroita paperille juuri oikeaan järjestykseen, jotta syntyy merkityksellistä ja toimivaa informaatiota, toimiva kakkuresepti.

Mielenkiintoista kyllä, solubiologia paljastaa jotakin samankaltaista elämän perustasolla. DNA koostuu neljästä emäksestä: adeniini, tymiini, guaniini ja sytosiini (A, T, G ja C), jotka muodostavat pitkiä, tarkasti järjestettyjä jonoja. Näitä jonoja luetaan kolmen emäksen ryhmissä eli kodoneina, ja jokainen kodoni vastaa tiettyä aminohappoa. Tämän järjestelmän avulla solu rakentaa proteiineja, molekyylejä, jotka ovat välttämättömiä elämän toiminnalle.

Proteiini on aminohapoista rakentuva suuri biomolekyyli, joka toimii solun keskeisenä työtekijänä. Proteiinit muodostuvat, kun solu liittää aminohapot toisiinsa DNA:n ohjeiden mukaan. Niiden tehtävät ovat monipuolisia: proteiinit voivat toimia entsyymeinä, rakenteellisina tukimolekyyleinä, kuljettajina tai viestinviejinä. Proteiinin toiminta määräytyy sen aminohappojärjestyksen ja kolmiulotteisen rakenteen perusteella.

Tämä periaate näkyy konkreettisesti esimerkiksi ihmisen insuliinigeenin koodaavassa sekvenssissä (NCBI CCDS7729.1). Kyseinen DNA-jakso on 333 emäsparin pituinen, ja kun solu lukee sen kodoni kodonilta, tuloksena syntyy 110 aminohapon mittainen preproinsuliiniproteiini.

Tässä näet insuliiniproteiinin sekvenssin (nukleotidisekvenssi) ja sen pohjalta syntyvän aminohappoketjun:

Sekvenssi on NCBI:n tietokannasta: CCDS Report for Consensus CDS

Vertaus reseptiin ei ole pelkkä retorinen kikka. Molemmissa tapauksissa on kyse symbolisesta informaatiosta, joka ohjaa monivaiheista valmistusprosessia. DNA ei tietenkään toimi yksin: solussa on monimutkainen koneisto (RNA-polymeraasi, ribosomit, tRNA:t), joka lukee ja toteuttaa nämä ohjeet. Silti keskeinen tosiasia pysyy: ilman DNA:ssa olevaa järjestettyä informaatiota oikeaa proteiinia ei synny.

Geeni: enemmän kuin pelkkä raaka-ainelista

Usein ajatellaan yksinkertaistaen, että geeni on vain proteiinin “raaka-ainelista”. Todellisuudessa geeni on enemmän. Esimerkiksi ihmisen insuliinigeenissä vain noin 333 emäsparia koodaa itse proteiinin (preproinsuliinin), vaikka koko geenialue on noin 1400 emäsparia pitkä.

Mitä loput tekevät?

Geenissä on alueita, jotka säätelevät:

• milloin geeni aktivoituu

• missä solutyypeissä se toimii

• kuinka paljon proteiinia tuotetaan

• kuinka mRNA käsitellään ja stabiloidaan

Toisin sanoen geeni sisältää sekä proteiinin rakenteen että sen tuotannon ohjauksen. Tämä muistuttaa reseptiä, jossa ei ole vain ainesluettelo vaan myös valmistusvaiheet ja ajoitus.

Proteiinisynteesi esitetty helppotajuisesti muutaman minuutin videossa:

https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA

Biologinen informaatio ja sen alkuperä

Kun tarkastelemme toiminnallista informaatiota arjessa, tietokonekoodia, insinööripiirustuksia tai reseptejä, havaitsemme johdonmukaisen kuvion: täsmälliset, funktionaaliset ohjeet ovat peräisin älyllisistä toimijoista.

DNA:ssa kohtaamme järjestelmän, joka:

• käyttää symbolista koodia

• kolmen emäksen yksiköihin perustuvaa lukutapaa (kodonit)

• ohjaa monivaiheista valmistusprosessia

• tuottaa erittäin spesifisiä toiminnallisia lopputuloksia

Tämä herättää luonnollisen kysymyksen: Mikä on DNA:n biologisen informaation alkuperä?

Riippumatta siitä, mihin johtopäätökseen päädytään, yksi asia on kiistaton: DNA ei ole pelkkää sattumanvaraista kemiaa. Se on tarkasti järjestetty informaatiokantaja, joka toimii solun toiminnan keskeisenä ohjausjärjestelmänä.

Johtopäätös

Resepti-analogia ei selitä kaikkea biologiasta, mutta se valaisee yhtä keskeistä piirrettä: elämä perustuu koodattuun, toiminnalliseen informaatioon. Geenit eivät ole pelkkiä kemiallisia ketjuja, vaan monitasoisia ohjejärjestelmiä, jotka määrittävät sekä proteiinien rakenteen että niiden tuotannon säätelyn.

Siksi kysymys biologisen informaation alkuperästä ei ole pelkästään filosofinen. Se nousee suoraan siitä, mitä molekyylibiologia on viime vuosikymmeninä paljastanut.

Tieteenaloilla kuten SETI-tutkimuksessa, arkeologiassa ja forensiikassa tutkijat käyttävät usein niin sanottua suunnitteluinferenssiä. Kun havaitaan selvästi tarkoituksenmukaisia, symbolisesti järjestettyjä tai epätodennäköisiä rakenteita (esimerkiksi kirjoitus tai työkalunjälki), päädytään tavallisesti siihen, että ilmiön taustalla on älyllinen toimija. Tämä päättely perustuu kokemukseen siitä, millaisia jälkiä tunnetut älylliset prosessit tuottavat.

Kysymys kuuluu, voisiko samanlaista päättelyä soveltaa biologiseen informaatioon, kuten DNA:n koodiin. DNA toimii kuin koodikieli, ehkä sen takana on älykäs mieli.

Terveisin,

Okulaarinen tieteilijä