Explore

Starting July 1: Stream Alien Intrusion FREE for 7 days!

Also Available in:

Jumalan luomat DNA:n kierteenavausmoottorit

Topoisomeraasientsyymit

Kirjoittaja 

Alkuperäisjulkaisu: Creation 40(1) s.24–26, tammikuu 2018
Julkaistu suomeksi: Luominen–lehti nro 30, s.44–46, 24 elokuun 2018
detangling-motors

Kaikissa eliöissö on hämmästyttäviä koneita ja niiden ‘rakennusohjeita’. Ohjeet on kirjoitettu DNA:n eli kuuluisan deoksiribonukleiinihapon (DNA) kemiallisten ‘kirjainten’ eli nukleotidimolekyylien jonoon, samaan tapaan kuin kirjan sivuilla oleva tieto on tallennettu kirjainten jonoon.

Nämä ohjeet kopioidaan myös seuraavalle sukupolvelle. Et saanut äitisi silmiä ja isäsi korvia, vaan niiden rakennusohjeet kopioitiin DNA-nauhaasi (katso laatikkoa alhaalla).

DNA:n mittasuhteet aiheuttavat monia ongelmia, jotka on ratkaistava ennen kuin yksinkertaisinkaan eliö voisi toimia. Kaksoiskierre on vain noin 2,5 nanometriä eli 2,5 millimetrin miljoonasosaa leveä—niin ohut, että sitä ei voi nähdä parhaimmallakaan valomikroskoopilla. Kierteen täyteen kierrokseen mahtuu noin 10,5 kirjainta. DNA-molekyyli on kuitenkin valtavan pitkä. Kromosomi 1 on ihmisen kromosomeista pisin ja siinä on 220 miljoonaa kirjainta. Täyteen mittaansa oikaistuna sen pituus olisi 8,5 senttimetriä. Jos yhden ihmissolun kaikki DNA pantaisiin jonoon, se olisi kahden metrin mittainen! Nämä valtavan pitkät, ohuet ja tahmeat juosteet on pakattava mikroskooppisen pieneen soluun ja huolehdittava siitä, että ne eivät muutu kierteiden ja solmujen sekasotkuksi. Tähän kaikkeen solu tarvitsee monimutkaisia koneita. Näiden koneiden hämmästyttävä monimutkaisuus kertoo Luojan nerokkuudesta.

Kaksoiskierteen aukaiseminen

Kun DNA:ta luetaan (eli kun sen sisältämän tiedon avulla rakennetaan proteiineja), kaksoiskierteen juosteet on erotettava toisistaan. Jakautumisen yhteydessä kumpikin juoste kopioidaan itsenäisesti.

Tämä edellyttää erityisrakenteisia koneita, joita kutsutaan DNA-helikaaseiksi. Ne ovat renkaan muotoisia, ja DNA kulkee renkaan keskellä olevan reiän läpi. Koska kyseessä ovat koneet, ne tarvitsevat myös polttoainetta. Helikaasien ‘polttoaine’ on ATP, jota toinen kone, ATP-syntaasi, tuottaa.1 ATP:n tuottaman energian avulla helikaasirenkaan ympärillä tapahtuu pyörivä muodonmuutos noin 10 000 kierroksen minuuttinopeudella. Tämä on lähes sama kuin suihkumoottorin turbiinin pyörimisnopeus. Helikaasi kiitää pitkin DNA:ta ja erottaa juosteet toisistaan kahdentumishaarukan2 kohdalla. Tämän jälkeen monet muut koneet lukevat DNA:ta ja yhdistävät juosteet uudelleen tai kopioivat ne. Kaiken tämän on tapahduttava hyvin nopeasti, koska DNA:n kopiointivauhti on 1 000 kirjainta sekunnissa, ja helikaasin on pysyttävä kopiointia suorittavien koneiden edellä.

Ylikiertyminen

DNA:n kierteinen muoto tuottaa lisäongelman, joka vain pahenee, kun helikaasi erottaa juosteet toisistaan. Ongelmaa on helppo havainnollistaa pitkällä monisäikeisellä köydellä. Jos aloitetaan keskeltä köyttä ja yritetään kiskoa säikeet eroon toisistaan, niiden erottaminen käy nopeasti hyvin työlääksi, koska irrotuskohdan molemmin puolin säikeet kiertyvät entistä enemmän ja vastustavat aukaisua. Jos päästää irti, köysi palaa entiseen muotoonsa. Muistamme myös lankapuhelinten kierteiset johdot, jotka kovin helposti kiertyivät moninkertaiseksi vyyhdiksi. Kompensoidakseen jokaisen edessä päin tapahtuvan ylimääräisen kiertymisen, avaamiskohdan takana oleva DNA vääntyy mutkalle ja ylikiertyy näin itsekin. Jos solun DNA ei pääsisi aukeamaan, solu ei pystyisi enää valmistamaan proteiineja eikä kopioimaan itseään. Jos solun DNA ei pääsisi aukeamaan, solu ei pystyisi enää valmistamaan proteiineja eikä kopioimaan itseään.

15438-dna-topoisomeraasi
DNA:n kahdentuminen eli DNA-synteesi tarkoittaa kaksijuosteisen DNA-molekyylin kopioimista. Kyseinen prosessi on elintärkeä kaikelle tuntemallemme elämälle. HUOM: Tämä on yksinkertaistava kaavio hyvin mutkikkaasta koneistosta (esim. helikaasilla on rengasmainen rakenne, jonka läpi DNA-juoste kulkee).

Jännitteitä laukaisevat koneet

Luoja ratkaisi tämän elävissä olennoissa olevan ongelman erityisillä proteiinikoneilla eli entsyymeillä, joita kutsutaan topoisomeraaseiksi.3 Ne leikkaavat DNA:ta, järjestävät sen uudelleen ja sitovat sen taas kokoon. Niiden on työskenneltävä kahdentumishaarukan edellä estääkseen DNA:n ylikiertymisen.

Topoisomeraasiluokkia on useita, mutta ne voidaan jakaa kahteen pääryhmään:

  • Tyypin I topoisomeraasi katkaisee toisen DNA-juosteen ja sitoutuu väliaikaisesti katkaisukohdan kumpaankin päähän. Sitten leikkaamaton juoste pääsee kulkemaan syntyneestä aukosta. Tämä laukaisee jännitettä yksi kierre kerrallaan. Lopuksi katkaistut osat liitetään taas yhteen (ligaatio).

    Tyypin I topoisomeraasit eivät tarvitse ATP:tä – ylikiertyneen DNA:n varastoima energia yksinkertaisesti vain vapautuu kasaan puristuneen jousen lailla, kun se ponnahtaa alkuperäiseen muotoonsa.

  • Tyypin II topoisomeraasit ovat monimutkaisempia. Tämä tyyppi katkaisee kaksoiskierteen molemmat juosteet ja pitää niitä erillään. Sitten se ottaa silmukan kaksoiskierteen leikkaamattomasta osasta ja vetää sen tästä aukosta läpi. Sen jälkeen kaksi juostetta yhdistetään taas, läpi vedetty DNA vapautetaan, ja lopuksi entsyymi irtoaa yhdistetystä DNA:sta niin, että prosessi voidaan tarvittaessa toistaa. Useissa näistä vaiheista tarvitaan ATP:tä.

    Tyypin II topoisomeraasi on tärkeä toisestakin syystä: kun DNA kahdentuu, ”tytärmolekyylit” voivat joskus kiertyä toistensa ympärille kuin ketjun lenkit, eli katenoitua (lat. catena = ketju). Toisiinsa kietoutuneiden molekyylien erottamista (ketjun purkamista) sanotaan dekatenaatioksi, ja tämä on tyypin II topoisomeraasin eräs elintärkeä tehtävä.

Vaillinaisella toiminnalla hyödytön

Näiden entsyymien täytyy tehdä kolme asiaa, koska muuten ne olisivat hyödyttömiä tai jopa vahingollisia: katkaisu, toisen juosteen siirto katkaisukohdan läpi ja irrotettujen päiden uudelleen liittäminen. Kukin vaihe on niin tärkeä, että jos yksikin niistä estyy, entsyymi ei toimi ja solu kuolee.

Eräät bakteereja tai syöpäsoluja tappavat lääkkeet tosiasiassa toimivatkin vaikuttamalla topoisomeraaseihin. Antibioottien luokka nimeltään fluorokinolonit (esim. siprofloksasiini, levofloksasiini) pysäyttää bakteerien tyypin II topoisomeraasin uudelleenliittämisvaiheen, minkä seurauksena DNA pilkkoutuu palasiksi ja solu kuolee pian. Eräät syöpälääkkeet (esim. kamptotesiini, topotekaani) tekevät samaa tyypin I ja II topoisomeraaseille hallitsemattomasti jakautuvissa syöpäsoluissa.

Toinen lääkeryhmä nimeltään katalyyttiset inhibiittorit estää ATP:n energiaa vapautumasta ja pysäyttää näin ensimmäisen katkaisuvaiheen. Sen sijaan, että solu kuolisi DNA:n hajotessa palasiksi, DNA vain sotkeutuu niin, ettei solu voi jakautua eikä valmistaa proteiineja.

Ongelmia evoluutiolle

On selvää, että elämää edeltävissä olosuhteissa tapahtuvat sattumanvaraiset kemialliset reaktiot eivät olisi voineet aikaansaada ensimmäistä solua pienin, vähittäisin askelin, joista jokaisen oletetaan tuoneen jotakin lisäetua ja säilyneen siksi luonnonvalinnassa. Oletetaan, että tällainen prosessi olisi tuottanut entsyymin, joka suoritti ensimmäisen vaiheen eli katkaisun. Ellei entsyymi liittäisi paloja uudelleen yhteen, se vahingoittaisi solua pilkkomalla sen informaatiomolekyylin palasiksi!

Tilanne käy kuitenkin evoluution kannalta vielä tukalammaksi. Luonnonvalinta määritellään lisääntymiskyvyn erotuksena: ‘A on kelpoisempi kuin B’ tarkoittaa: ‘A:lla on enemmän eloonjääviä jälkeläisiä kuin B:llä’. Siksi luonnonvalinta vaatii vähintään kaksi itseään monistavaa yksikköä. Niinpä se ei voi selittää monistumisen alkuperää, koska lisääntyminen on mahdotonta, ellei käytettävissä ole jotakin keinoa DNA:n monistamiseksi. Kuten olemme nähneet, ilman topoisomeraaseja DNA:ta ei voi kopioida, koska se sotkeutuisi liian pian. Koska luonnonvalinta ei pysty selittämään ensimmäisen topoisomeraasin alkuperää, darvinistinen evoluutio ei pääse edes alkuun.4

On vielä toinenkin ongelma, joka muistuttaa kuuluisaa kysymystä: ‘kumpi oli ensin, muna vai kana?’5 Toisin sanoen: topoisomeraasien rakentamiseen tarvittavat ohjeet ovat DNA:ssa, mutta näitä ohjeita ei voi lukea ilman DNA-kierteitä avaavia topoisomeraaseja. Jopa yksinkertaisimmassa tyypin II topoisomeraasissa on 800 ‘proteiinikirjainta’ (aminohappoa) kahdessa eri jaksossa. Yhtä proteiinikirjainta koodaa kolme ‘DNA-kirjainta’, joten kyseistä proteiinia vastaavan geenin pituus on noin 2 400 kirjainta—liian pitkä luettavaksi ilman kierteiden avaamismekanismia.

Näitä ohjeita ei voisi myöskään välittää seuraavalle sukupolvelle ilman tytär-DNA:n juosteita toisistaan erottavia tyypin II topoisomeraaseja. Jopa Mycoplasma genitaliumin DNA, joka on lyhyempi kuin minkään muun elävän olennon perimä, on aivan liian pitkä, jotta juosteet erkaantuisivat toisistaan itsekseen.

DNA – paras informaation säilytysjärjestelmä

DNA-storage-system

DNA on kaikkein tehok­kain tunnettu infor­maation säi­ly­tys-/ha­ku-/välitys­jär­jes­tel­mä. Elävän solun DNA:n infor­maa­tio­tiheys on noin 1 000 teratavua kuutio­milli­metris­sä.1 Elävä solu voi näin varas­toida valtavan määrän tietoa hyvin pieneen tilaan: yksin­ker­tai­sin elävä olento on solun­sisäi­nen loinen Myco­plasma, jolla on suun­nilleen 600 kilotavua DNA:ta, kun taas jokai­sessa ihmis­solussa sitä on noin 3 gigatavua.2

Jos yhden ihmissolun kaikki tieto kirjoitettaisiin musteella paperille, se käsittäisi noin tuhat Raamatun kokoista kirjaa tai 200 Yhdysvaltojen verolainsäädäntöopasta.3 Pelkkä musteen kemia ei kirjoita kirjoja eli niitä ei kirjoiteta kaatamalla sivuille mustetta! Sen sijaan kirjailija muotoili musteen kirjaimiksi. Aivan samoin ”DNA-kirjainten” kemiassa ei ole mitään, mikä saisi ne kirjoittamaan elämän informaation.

  1. Lisätietoja ja dokumentointi [englanniksi]: Sarfati, J., DNA: the best information storage system, 9 October 2015; creation.com/dna-best. Ks. myös Batten, D., DNA:n korjausmekanismit ”huutavat”, että ne on luotu, Luominen23:52. Alkuperäisjulkaisu DNA repair mechanisms ‘shout’ creation, Creation 38(2):56, 2016; creation.com/dna-repair-shouts.
  2. Yksinkertaisuuden vuoksi käsittelen jokaista ”DNA-kirjainta” tavu-tietotyyppinä, mikä toimii ainakin alustavana arviona. Todellisuudessa jokainen DNA:n emäs voi olla yksi neljästä, joten kukin kirjain voitaisiin tallentaa kahtena bittinä, mikä vähentäisi kokonaismuistitilan tarvetta 4-kertaisesti. Jokaisessa solussa on 3,17 miljardia emäsparia ja koko genomi kahteen kertaan, eli 6,34 miljardia emäsparia. Jos yksi kirjain vastaa tavua, koko on 5,90 GB.
  3. Erb, K.E., [American] Tax code hits nearly 4 million words, Taxpayer Advocate calls it too complicated, forbes.com, 10 January 2013. Vertailun vuoksi, Raamatussa on lähes 800 000 sanaa (Kuningas Jaakon käännös).

Johtopäätös

Jopa kaikkein yksinkertaisimmat eliöt tarvitsevat topoisomeraaseja voidakseen lukea DNA:nsa ohjeita proteiinien valmistamiseksi tai välittääkseen perimänsä jälkeläisilleen. Topoisomeraasit ovat monimutkaisia ja hyvin suunniteltuja koneita, jotka katkaisevat ja siirtävät DNA-juostetta ja liittävät lopuksi palat taas yhteen. Koska lisääntyminen on mahdotonta ilman niitä, darvinistinen evoluutio—satunnaiset mutaatiot + luonnonvalinta—ei olisi voinut tuottaa ensimmäisiäkään topoisomeraaseja.

Lähdeluettelo ja kommentit

  1. Thomas, B., ATP-syntaasi: Majesteettinen Suunnittelijan luoma molekyylikone, Luominen 8:15–17. Alkuperäisjulkaisu ATP synthase: majestic molecular machine made by a mastermindCreation 31(4):21–23, 2009; creation.com/atp-synthase. Palaa tekstiin.
  2. Hyvä kuvaus ja video [englanniksi]: Unwinding the double helix: Meet DNA helicase, evolutionnews.org, 20 February 2013. Muita kiehtovia videoita on sivustolla DNA Learning Center, dnalc.org. Palaa tekstiin.
  3. Lisätietoja [englanniksi], ks. DeWeese, J.E., DNA topoisomerases—the ‘relaxers’ and ‘unknotters’ of the genomeJ. Creation 30(2):92–101, 2016. Dr Joe DeWeese Lipscombin yliopistosta Nashvillessä, Tennesseessä, on julkaissut monia artikkeleita topoisomeraaseista johtavissa tiedelehdissä. Ks. myös video Topoisomerase 1 and 2, youtube.com. Palaa tekstiin.
  4. Elämän oletettua syntymistä elottomista kemikaaleista kutsutaan yleensä kemialliseksi evoluutioksiPalaa tekstiin.
  5. Kysymykseen on itse asiassa helppo vastata Raamatun pohjalta: Jumala loi viidentenä päivänä kanan, joka sitten muni munan. Täsmällisemmin sanoen Jumala loi kanalintujen lajityypin. Siihen kuuluvat painavat, pääasiassa maan pinnalla liikkuvat linnut, jotka arkista lähdettyään lajiutuivat kanoiksi, peltopyiksi, fasaaneiksi, viiriäisiksi, kalkkunoiksi jne. Lightner, J., An initial estimate of avian ark kinds, Answers Research Journal 6:409–466, 2013. Palaa tekstiin.

Aiheeseen liittyvät artikkelit