Optimalizace genetického kódu: část 1.

Link na článek v angličtině: creation.com/gencode

Bylo prokázáno, že genetický kód, jak jej nacházíme v přírodě – kanonický kód – je podle různých kritérií vysoce optimalizovaný. Obecně se předpokládá, že genetický kód byl optimalizován v průběhu evolučního procesu (pro různé účely). Toto tvrzení hodnotíme a shledáváme ho nedostatečným. Identifikujeme obtíže související se třemi skupinami vysvětlení, které se vyskytují v literatuře, jak mohla současná konvence 64 → 21 vzniknout přirozenými procesy.

Pořadí aminokyselin v proteinech je určeno informacemi zakódovanými v genech. Existuje více než 1,51 × 10⁸⁴ možných¹ genetických kódů založených na mapování 64 kodonů na 20 aminokyselin a signálu „stop“² (tj. 64 → 21). Původ genetiky založené na kódu je pro evolucionisty naprostou záhadou,³ protože to vyžaduje velké množství neredukovatelně složitých strojů: ribozomy, RNA a DNA polymerázy, aminoacyl tRNA syntetázy (aaRS), uvolňovací faktory atd. Tyto stroje se z velké části skládají z bílkovin, což představuje paradox: ke zpracování zakódované informace jsou zapotřebí desítky nepříbuzných bílkovin (plus několik speciálních polymerů RNA). Bez nich by genetický kód nefungoval, ale generování takových proteinů vyžaduje, aby byl kód již funkční.

To je jeden z mnoha příkladů dilematu „slepice a vejce“, kterému materialisté čelí. Dalším důvodem je potřeba spolehlivého zdroje ATP pro polymeraci aminokyselin na bílkoviny: bez potřebných bílkovin a genů se takové molekuly ATP nevytvoří. Kromě toho každý genetický replikátor potřebuje spolehlivou „zásobu“ nukleotidů a aminokyselin, ale některé metabolické procesy používané buňkami jsou vzájemně propojeny. Například dokud nejsou funkční různé biosyntetické sítě aminokyselin, nemohou být nukleotidy metabolizovány. To jsou některé z důvodů, proč se domníváme, že genetický kód nevznikl postupnými přírodními procesy. Doufáme, že v některém z budoucích článků předložíme podrobnou analýzu minimálních komponentů potřebných pro fungování genetického kódu, ale tímto tématem se zde nechceme zabývat.

„Dosud nebyl předložen žádný skutečně použitelný mechanismus, jak by se mohl jednodušší genetický systém dramaticky zkomplikovat a zvýšit svou odolnost vůči mutacím.“

V odborné literatuře je plno článků, které tvrdí, že univerzální kód⁴ se v průběhu času vyvíjel a v určitém smyslu je nyní mnohem lepší než dříve, možná dokonce téměř optimální. Nemůžeme se zde zabývat všemi modely a tvrzeními, ale doufáme, že uvedeme několik myšlenek, díky nimž se snad ozřejmí, že tato tvrzení jsou „úlety fantazie“. Zatím nebyl předložen žádný skutečně funkční mechanismus,^1,3 jak mohl jednodušší genetický systém dramaticky zvýšit svou složitost a odolnost vůči mutacím. Kdyby se spustil primitivní replikátor, který by odporoval veškeré chemické logice, bylo by možné podle různých evolučních scénářů systém zdokonalit tak, aby vytvářel konvenci 64 kodonů → 20 aminokyselin + signál „stop“, kterou používá standardní genetický kód?

Původ každého genetického kódu

Aby evoluční proces mohl optimalizovat kód, musí nejprve existovat replikující se forma života s jistou schopností zpracovávat informace. Trevors a Abel publikovali jednu z nejpoctivějších a nejpoučnějších prací³ o problémech, kterým čelí naturalistické vysvětlení vzniku života. Za nepochopitelný je považován zejména vznik systému ukládání a zpracování informací, který je schopen řídit syntézu proteinů. Podle jejich vlastních slov „dosud žádná práce neposkytla věrohodný mechanismus pro psaní algoritmů přirozeným procesem“.⁵ Abel je známý svými pokusy o nalezení přirozeného původu genetického kódu a naturalistického vysvětlení vzniku života. Spolu s nadací The Origin-of-Life Foundation, Inc. ® nabízí 1 milion dolarů každému, kdo předloží věrohodné přírodní řešení.⁶ V příkrém kontrastu s přímočarou upřímnosti tohoto článku³ je velké množství článků o původu života, které se neodvolávají na žádnou rozpoznatelnou chemii a nenabízejí žádnou koncepčně schůdnou cestu, jak se od vágních představ autorů dostat k existujícím genetickým systémům.

Existují tři základní přístupy,⁷ které materialisté používají k vysvětlení mapování 64 → 21 genetického kódu: (I) chemické/stereochemické teorie, (II) koevoluce biosynteticky příbuzných aminokyselinových drah a (III) evoluce a optimalizace přírodním výběrem, aby se zabránilo chybám. Pořadí, v jakém tyto tři přístupy uvádíme, má svou logiku. Zatímco (I) je nejblíže otázce přirozeného původu biologického replikátoru, (II) již vyžaduje existenci velkého počtu složitých a integrovaných biochemických sítí. Pokusy vysvětlit mapování kódu 64 → 21 na této úrovni by zjevně znamenaly ignorovat otázku, odkud se všechny tyto molekulární stroje a geny vzaly. (III) Evoluční hypotézy vysvětlující mapování 64 → 21 na této úrovni by vyžadovaly předpoklad, že všech 20 aminokyselin je již přítomno v genetickém kódu a že většina genů již kóduje vysoce optimalizované proteiny.

(I) Chemické/stereochemické teorie

Všechny návrhy v této oblasti předpokládají nějaký jednoduchý výchozí systém, který se řídí přirozenými chemickými procesy. Tyto primitivní systémy postupně dosáhly obrovské složitosti a propracovanosti.

Byly učiněny pokusy o nalezení přímých chemických interakcí mezi částmi RNA a aminokyselinami.⁸ Předpokládá se, že vedly ke vzniku genetického kódu. Aminokyseliny se mohou přednostně vázat na své příbuzné kodony,⁹ antikodony,¹⁰ obrácené kodony,¹¹ dvojité šroubovice kodonu a antikodonu¹² nebo jiné chemické struktury.

Poté, co Alberti¹³ připustil, že „existuje jen málo důkazů o selektivní vazbě aminokyselin na izolované kodony nebo antikodony,“ předložil návrh, že řetězce mRNA budou interagovat se speciálními řetězci tRNA a krátké peptidy se budou specificky vázat na tyto tRNA. Krátké peptidy, které se nyní přiblíží k sobě, polymerují a vytvářejí proteiny. Řada kofaktorů by stabilizovala interakce mezi tRNA a mRNA a nakonec by se z nich staly ribozomy. Další sada kofaktorů by snížila počet aminokyselin potřebných k zajištění specifické interakce s různými tRNA, kterou dnes zajišťují aaRS (aminoacyl tRNA syntetáza).

Námitky. Žádná ze zpráv v této oblasti neodhaluje konzistentní souvislost mezi kodony a aminokyselinami očekávanými na základě genetického kódu.¹⁴ Široká škála chemických systémů inteligentně pojatých v různých scénářích nemůže být odůvodněna podmínkami volné přírody a při interpretaci takových modelů existuje přílišná volnost, která relativizuje význam kteréhokoli konkrétního z nich.⁷ Proto se často tvrdí,¹⁵ že původní chemické interakce již nelze identifikovat prostřednictvím současných kódovacích přiřazení genetického kódu, ale že takové domnělé interakce mohly proces nastartovat.¹⁶

Obrázek 1. Jak funguje genetický kód. Tři specifické nukleotidy (antikodon) na tRNA interagují s odpovídajícím kodonem na mRNA, čímž se do rostoucího proteinového řetězce přidá správná aminokyselina. Sekvence nukleotidů v jednotlivých kódech mRNA určuje, která tRNA se připojí, a tím se sdělí pořadí aminokyselin, které mají tvořit bílkovinu. Každá tRNA je nabíjena aminoacyl tRNA syntetázou pomocí ATP (není na obrázku).

Předpokládá se, že aminokyseliny vzniklé v abiotických podmínkách byly nejprve zavedeny v primitivním kódu.¹⁷ Protože se však všechny kromě glycinu vyskytují v zrcadlově obrácených formách D a L,¹⁸ takový zdroj aminokyselin by vedl k chaosu. Navíc 3 chirální atomy C v ribóze v RNA by ve volné přírodě vytvářely ještě více stereoizomerů. Kromě toho tvrzení,^17,19 že aminokyseliny nalezené v Millerově experimentu by byly prvními, které byly použity v genetickém kódu, dělá z důvěřivého čtenáře hlupáka,²⁰ protože geologové se dnes domnívají, že plyny používané v takových experimentech nejsou relevantní pro domnělou ranou atmosféru.^18,21,22 Následné experimenty s rozumnějšími směsmi plynů generovaly velmi málo organického materiálu a prakticky vůbec žádné aminokyseliny.^18,23,24

Pořadí, v jakém mají aminokyseliny polymerovat, není v současné době sdělováno genetickým kódem prostřednictvím přímých interakcí aminokyselin s polymery DNA nebo RNA. Přenosová RNA se používá k mapování kodonů na jejich specifické aminokyseliny. Součástí molekul tRNA jsou tři specifické nukleotidy (antikodon), které přechodně interagují s odpovídajícími kodony v mRNA. Na obrázku 1 ukazujeme, jak specifické interakce kodon-antikodon určují, která aminokyselina je kódována nukleotidovým tripletem mRNA. Interakce mezi kodonem a antikodonem musí být dostatečně slabé, aby umožnily oddělení, jakmile již není potřeba, ale s dostatečnou specifičností, aby se zabránilo nesprávné vazbě. Pokud by však chyběly další mechanismy, jako jsou ribozomy, které by pomáhaly udržet vše na svém místě, interakce mezi kodony a antikodony adaptoru by byly příliš slabé na to, aby měly nějaký význam. Na vzdálenou a fyzikálně-chemicky nesouvisející část adaptoru tRNA proto musí být připojena specifická aminokyselina (za spotřeby molekuly ATP s vysokou energií) (obrázek 1).

Jak se příroda mohla dostat z původního systému, který zahrnoval chemickou nebo fyzikální interakci aminokyseliny i („AA_i“) (kde i představuje verzi 1, 2, 3…) s tri-nukleotidem RNA i („kodon_i„), k současnému systému založenému na adaptoru i („adap_i“)? Nyní musí dojít ke dvěma událostem současně (viz obrázek 1). Jedna část daného adaptéru číslo i, adap_i, musí nahradit původní AA_i/kodon_i a na druhou část adap₁ musí být připojen stejný AA_i (obrázek 2). Nemohou se vyskytovat postupně, protože pokud má být zachován primitivní „kód“ založený na přímé interakci, musí se oba druhy vazeb vyskytovat současně. Vzhledem k tomu, že prostorové vztahy s ostatními aminokyselinami jsou velmi odlišné, nemohou již probíhat žádné předpokládané chemické reakce s ostatními aminokyselinami. To znamená, že všechny interakce mezi aminokyselinou a šablonou musí být nahrazeny současně! Nelze použít smíšenou strategii, protože pak by mohla vzniknout pouze část předpokládaného původního polypeptidu.

Obrázek 2. Vývoj od přímé interakce aminokyselina-šablona k adaptorové molekule. Aminokyseliny údajně³⁷ původně fyzicky interagovaly se specifickými sekvencemi tripletů nukleotidů, které tvořily dávný základ genetického kódu. Následné vložení adaptorové molekuly, například tRNA, vyžaduje ukotvení jednoho konce adaptoru v původním místě interakce aminokyselin a tato aminokyselina musí být nyní kovalentně vázána na jinou část adaptoru. Všimněte si, že není třeba uvádět žádný konkrétní druh interakce (například vytvoření esterové vazby mezi templátem a aminokyselinou), pokud je silně preferována interakce mezi konkrétní aminokyselinou a určitou jedinečnou sekvencí nukleotidové kyseliny.

Pokud ancestrální replikátor spolehlivě fungoval bez adaptoru, musí být nový systém využívající mnoho specializovaných adaptorových molekul okamžitě přinejmenším stejně účinný, jinak by první z nich převálcoval nový evoluční pokus. To znamená, že připojení AA_i k adap_i musí být vysoce spolehlivé, jako je tomu u moderních aminoacyl tRNA syntetáz. To mimo jiné vyžaduje spolehlivý zdroj různých adaptérů i=1,2,3 … (adap₁) během „života“ tohoto „organismu“ a během následujících „generací“. Konkrétně musí být všechny tyto adaptorové sekvence okamžitě důsledně a ve velkém množství metabolizovány, aby nové kódovací schéma fungovalo.

Molekuly adaptérů musí splňovat několik strukturních požadavků. Místo, kde je aminokyselina i připojena ke své příbuzné tRNA_i, musí být v přijatelné vzdálenosti a geometrii, aby se usnadnila tvorba peptidové vazby (obrázek 3). Každý druh adaptorové molekuly se musí spolehlivě složit do konzistentní trojrozměrné struktury, která je schopna uvést reagující aminokyseliny a kognátní kodony do správné vzájemné geometrie (obrázek 4). U tRNA je toho dosaženo strategicky umístěným párováním bází a správnou délkou vláken RNA.

I kdyby se někde na šabloně současně spojily dvě sady komplexů tRNA a aminokyselin, nevytvoří peptidovou vazbu, pokud chybí pečlivě vytvořený translační mechanismus. Pokud by adaptory nebyly pečlivě upraveny, zapletly by se do sebe a do tripletových nukleotidů templátu (obrázek 5). I kdyby tyto teoretické adaptéry dokázaly udržet dvě aminokyseliny dostatečně blízko, aby mohly reagovat, endotermická reakce tvorby peptidů neproběhne spontánně (je potřeba dodat energii). Tvorba peptidové vazby v živých organismech je řízena vysokoenergetickými esterovými vazbami mezi aminokyselinami a tRNA za pomoci aminoacyl tRNA syntetáz. Teoretické adaptéry, které pouze drží reaktanty fyzicky blízko sebe, nestačí. Pokud by ve vzácných případech peptidová vazba skutečně vznikla, výsledná molekula by pravděpodobně zůstala kovalentně vázána na jeden z adaptérů (obrázek 6). Jedním z požadavků na konstrukci ribozomů je posunovat mRNA západkovým způsobem a oddělovat tRNA, jejíž aminokyselina již byla použita. Energii k tomuto účelu dodává GTP a k odstranění konečného polypeptidu z mRNA se používá složité schéma. Tento požadavek byl v předloženém koncepčním modelu rovněž opomenut.

Pokud by se navzdory výše uvedeným pozorováním začaly tvořit polypeptidy, převažovaly by intramolekulární reakce, při nichž se karboxylová část jedné aminokyseliny váže na aminoskupinu druhé aminokyseliny v rostoucím řetězci (obrázek 7). Je to jednoduše proto, že jsou blízko sebe a pravděpodobně by spolu reagovaly dříve, než by se objevily další aminokyseliny, které by prodloužily délku řetězce. Mechanismus ribozomu je navržen tak, aby k tomu nedocházelo.

Obrázek 7. Pokud nejsou záměrně omezeny, aminokyseliny podléhají intramolekulárním reakcím. Karboxylová část rostoucího peptidu téměř vždy reaguje s aminoskupinou na druhém konci za vzniku intramolekulárního amidu, přičemž n představuje dvě nebo více aminokyselin. HOOC-Xi-NH2 představují aminokyseliny, kde i = 1 až 20 a X = CHR (R jsou postranní řetězce).

Kromě toho mohou vznikat peptidové vazby zahrnující postranní řetězce aminokyselin, což vede ke vzniku složitých a biologicky bezcenných směsí. Například aminoskupiny (-NHR) jsou přítomny na postranních řetězcích aminokyselin tryptofanu, lysinu, histidinu, argininu, asparaginu a glutaminu a mohou reagovat se skupinami karboxylových kyselin (-COOH) jiných aminokyselin. To platí zejména v případě, že se předpokládají horké podmínky²⁵ umožňují vznik peptidových vazeb. Naopak některé postranní řetězce mají také karboxylové kyseliny (aspartát a glutamát), které mohou tvořit amidy s jakoukoli aminoskupinou. Vysoce složité části ribozomového mechanismu byly navrženy tak, aby zabránily těmto nežádoucím vedlejším reakcím tím, že přesně drží funkční skupiny v provozuschopném stavu, aby řídily peptidové reakce, a izolují funkční skupiny, které spolu nemají reagovat. Právě tento problém je skutečným problémem dnes používaných automatizovaných syntetických peptidových chemikálií, které vyžadují složité strategie blokování postranních řetězců, aby bylo možné správně provádět reakce prodlužování peptidů.

Již zmíněný Alberti¹³ představil odlišný scénář: adaptér je součástí genetického aparátu od samého počátku. V podstatě je třeba předpokládat, že mRNA, ribozomy, aminokyseliny a tRNA vznikly kdysi dávno s minimální složitostí. Pak evoluce provedla řadu blíže nespecifikovaných kroků na hranici zázraku, jejichž výsledkem je genetický kód. Původní systém nějak doplnil množství molekulárních nástrojů a byl neúnavně dolaďován. Jakýkoli jiný evoluční model založený na podobných předpokladech by se v mnoha detailech podobal tomu, co navrhuje tento autor. Při použití těchto předpokladů musí dojít k nezbytným následným fázím. Proto je vhodné se zamyslet nad tím, zda k různým procesům může docházet přirozeně. Naše poznámky se nutně vztahují i na další možné varianty základní teze.

Obrázek 8. Předpokládá se, že koevoluce tRNA, mRNA a polypeptidů vedla ke vzniku genetického kódu. Rovněž se předpokládá, že různé peptidy jsou schopny jedinečné interakce se sekvenčně specifickou tRNA, která se sama páruje s bázemi v určité části mRNA. „α“ jsou polypeptidy se šroubovicí alfa. (A) Předpokládá se, že se vytvořily sekvenčně specifické interakce mezi ancestrálními tRNA a částmi peptidů a mezi těmito tRNA a delšími oblastmi mRNA. (B) Předpokládá se, že různé sekvenčně specifické tRNA se připojují k částem mRNA, čímž se připojené aminokyseliny přibližují k sobě. (C) Předpokládá se, že v ancestrálním genetickém kódu probíhala transesterifikační reakce mezi peptidy vázanými na tRNA. (D) Uvolnění tRNA, která již nemá navázanou aminokyselinu, umožňuje další polymerizaci. (Viz Alberti¹³).

Základní představa je znázorněna na obrázku 8. V praxi ukážeme, že v takových scénářích by prakticky žádné z potřebných tvrzení nefungovalo. Od začátku do konce se zneužívá chemická a fyzická realita.

„V přírodě neexistuje nic, co by uspořádalo nukleotidy do informačně smysluplných sekvencí.“

1. Příroda nevytváří stereochemicky čisté polypeptidové a polyribonukleotidové řetězce. Proto neexistuje způsob, jak iniciovat minimálně funkční proto-kód. Za prvé, je zde problém zdroje opticky čistých²⁶výchozích materiálů. Za druhé, ve vodném roztoku může polymerovat maximálně 8-10 RNA-mérů²⁷ a polypeptidové řetězce by byly ještě kratší, a to i po optimalizaci teploty, tlaku, pH a koncentrace aminokyselin a po přidání CuCl₂ a rychlého zachycení polypeptidu v chladicí komoře.^28,29 Reaktanty by byly extrémně zředěné, protože termodynamický směr by směřoval k hydrolýze zpět na výchozí materiály. Alternativní, nevodné prostředí, jako je stěna suché sopky, by bylo chemicky neperspektivní. Pokud by byly přítomny opticky čisté nukleotidy a aminokyseliny, pak by za suchých a horkých reakčních podmínek vznikaly větší molekuly. Výsledkem by však byl „sliz“ nebo dehet, protože by vznikla složitá směs trojrozměrných nepeptidových vazeb.³⁰
2. Velká většina náhodných řetězců aminokyselin, i když jsou opticky čisté, nevytváří v dostatečné míře složité sekundární struktury, jako jsou šroubovice α, jak se předpokládá (obrázek 8).¹³Je jistě pravda, že alfa-šroubovice konkrétních existujících proteinů interagují v přesně vymezených částech DNA; není to však ani náhoda, ani univerzální vlastnost a je to způsobeno přesně přizpůsobeným souborem prostorových a elektrostatických vztahů, určených k plnění regulační funkce.
3. Ve stejném čase a na stejném místě je zapotřebí velký soubor mRNA a tRNA. Tyto soubory musí poskytovat nebo přenášet informace k určení proteinových sekvencí! Úseky mRNA musí mít přesné sekvence a komplementární tRNA, které se s nimi párují, již musí být k dispozici. Nejenže musí být sekvence správné, ale musí být správné i jejich vzájemné pořadí. Takových mRNA musí být velké množství, protože je potřeba mnoho různých proteinů. S paletou pouhých čtyř nukleotidů (nt) nabízí i miniaturní řetězec o 300 nukleotidech 4³⁰⁰ nebo 4 × 10¹⁸⁰alternativ (bez ohledu na všechny strukturní izomery, které by mohly také vzniknout), z nichž naprostá většina by byla bezcenná. Jaký přírodní proces tedy mohl uspořádat nebo naprogramovat mRNA a vytvořit potřebné tRNA? To je fatální chyba těchto modelů. Podíl náhodných polypeptidů založených na 20 aminokyselinách, které jsou schopny se spolehlivě složit tak, aby poskytovaly šanci na vznik užitečného proteinu, je mizivý,^31,32 řádově jeden z deseti⁵⁰. Aby bylo možné poskytnout potřebné informace pro vytvoření jedné z užitečných variant, je třeba uspořádat pořadí bází (A, G, C a T) v mRNA. V přírodě však neexistuje nic, co by uspořádalo nukleotidy do informačně smysluplných sekvencí.
4. Musí být přítomny všechny různé peptidy, které je třeba kondenzovat dohromady. Odkud se vzaly? Alberti píše: „Relativně krátké peptidy (nejvýše 17mers) rozpoznávají krátké specifické sekvence dvouřetězcové RNA nebo DNA.“³³Prostředí dvouvláknového řetězce nabízí mnohem více užitečných rozpoznatelných fyzikálně-chemických vzorů než jednořetězcová tRNA v modelu, a i tak by to představovalo asi jednu správnou sekvenci z deseti²² (= 20¹⁷). Odkud se tyto peptidy vzaly a jak se podařilo zabránit vzniku naprosté většiny takových, které nejsou žádoucí? Všimněte si, že potřebné peptidy budou mít různou délku v závislosti na tom, co má být rozpoznáno na konkrétní tRNA.

Obrázek 9. Peptidy se ne vždy spojují na stejném místě téže tRNA. Mezi tRNA a peptidy může docházet k mnoha druhům interakcí. Například tvorba esterů pomocí volné OH skupiny v ribóze může probíhat v mnoha alternativních polohách. A, B a C znázorňují tři příklady.

5. Ať už prostřednictvím esterových vazeb, slabých vodíkových vazeb nebo jiných interakcí, bez specifického párování bází, které zprostředkovávají nukleotidové polymery, by se všechny nesčetné druhy polypeptidů nemohly trvale spojit na stejném místě molekuly podobné tRNA. Například volná hydroxylová skupina ribózy může reagovat s karboxylovou skupinou peptidu za vzniku esteru. Mohou se také vyskytovat všechny druhy van der Waalsových interakcí nebo interakcí vodíkových vazeb (obrázek 9). Umístění peptidu proto nebude spolehlivě určeno žádným konkrétním kodonem mRNA templátu.
6. Samotná interakce mRNA-tRNA není spolehlivá, vyžaduje značný počet vhodně umístěných párů bází mezi těmito vlákny, zejména při absenci jakéhokoli opravného mechanismu na dlouhých úsecích, což je absurdní. Na tRNA a mRNA se často vyskytují vnitřní jednořetězcové smyčky (obrázek 10). To zabrání tomu, aby jediný kodon v mRNA jednoznačně a spolehlivě určil umístění předpokládaného polypeptidu připojeného k tRNA.

Obrázek 10. Nedokonalé párování bází mezi primitivními vlákny mRNA a tRNA by vedlo k různým umístěním aminokyseliny spojené s ancestrální tRNA. Různé ancestrální tRNA a mRNA mohly náhodně spárovat báze na různých místech. Příroda by stěží náhodou vytvořila oblasti obou molekul, které by se náhodou dokonale párovaly na správných místech, a zároveň oblast na tRNA, na které by správný polypeptid přednostně interagoval. Nedokonalé párování bází a koincidence by vedly k vnitřním smyčkám na tRNA a mRNA. Jakákoli aminokyselina nebo polypeptid připojený k tRNA se pak objeví na různých pozicích podél templátové mRNA. I kdyby se vytvořily polypeptidové řetězce, jejich sekvence by byly náhodné, protože by neexistovalo nic, co by se podobalo kódu.

7. Je důležité pochopit, co tento autor nazývá „tRNA“ (viz obrázek 8A).¹³Klíčem k jeho úvaze je, že „sekvenčně specifické interakce mezi polypeptidy a polynukleotidy by vedly k akumulaci specifických párů polypeptid-polyribonukleotid.“²⁵ „Blízkost mezi peptidem a molekulou RNA pravděpodobně podporuje tvorbu esterových vazeb mezi nimi.“²⁵ Autor předpokládá, že to má za následek vznik prapůvodní „tRNA“. Každá taková „tRNA“ se skládá ze specifické polypeptidové sekvence (nikoli z jednotlivých aminokyselin), která je chemicky vázána na jedinečnou jednořetězcovou RNA (obrázek 8B). Četné molekuly tRNA se pak musí pevně spárovat s matricí mRNA²⁵ a být pevně drženy²⁵ na specifických místech templátové mRNA. Nová peptidová vazba však může vzniknout pouze mezi sousedními tRNA, které se mohou dostat do kontaktu. To znamená, že musí být připojeny na koncích tRNA, jak je znázorněno na původních kresbách převzatých z literatury,¹³ a že tRNA musí být na mRNA umístěny blízko sebe. Jinak by esterová vazba (mezi peptidem a RNA za vzniku „tRNA“)²⁵ byla pohřbena a stala se nepřístupnou aminoskupině druhého peptidu, s nímž se má spojit. Na obrázku 11 je karboxylová skupina tRNA₁ je znázorněna jako nepřístupná aminoskupině tRNA₂. Autor předpokládá, že k vytvoření „tRNA“ by jedinečné interakce zajistily části alfa-helixů, z nichž každý by se skládal z různých sérií aminokyselin, které by se postaraly o specifičnost.²⁵ Náhodné peptidy se však mohou skládat téměř nekonečným počtem způsobů a nebudou tvořit alfa-šroubovice pouze na specifických místech (zejména pokud se použijí racemické směsi aminokyselin). Musíme předpokládat, že polypeptidové řetězce vzniklé v přírodních podmínkách budou téměř vždy amorfními polymery. Možná existuje alternativa, jak umístit proto-tRNA velmi blízko sebe podél matrixové mRNA. Předpokládejme, že místa, kde se párují báze tRNA a mRNA, jsou pružnější, což umožňuje, aby se nakonec přiblížily natolik, že spolu mohou reagovat. K tomu dochází, když se části tRNA a mRNA nemohou párovat a vytvářejí tak malé výčnělky, nebo když se tRNA oddělí od mRNA a ocitne se v blízkosti jiné tRNA, se kterou může reagovat. Jinými slovy, místo, kde se reagující „tRNA“ skutečně nacházejí vzhledem k templátové mRNA, se může lišit. To by však znemožnilo představu, že starobylé vlákno mRNA je skutečnou kódující předlohou. Neurčovalo by bílkovinné sekvence ani by neumožňovalo eliminovat interakce mezi páry bází tRNA a mRNA (s pomocí nedefinovaných „kofaktorů“, které drží tRNA a mRNA pohromadě), které by vedly k jedinému kodonu použitému v genetickém kódu.
8. Co v této velké směsici brání tRNA a mRNA v křížovém párování bází? To by umožnilo shromáždit všechny nesprávné druhy peptidů, které by také mohly polymerizovat.
9. Jak se peptidové řetězce prodlužují, začnou se skládat do trojrozměrných struktur, které obklopují esterizované místo připojení k tRNA. To by ze sterických důvodů zabránilo připojení dalších tRNA v oblasti na stejné mRNA a přiblížení funkčních skupin, které mají reagovat.
10. Takový systém se nemůže sám replikovat. Navíc předpoklad vícenásobných kovalentních esterových vazeb předpokládá nějaké horké a suché prostředí, což neodpovídá evolučně preferovaným prostředím, která jsou uváděna jako kandidátní pro vznik života.

Obrázek 11. Esterové vazby mezi peptidy a templátovou mRNA by byly pohřbeny v polypeptidových řetězcích, což by zabránilo další polymeraci. V ribozomech jsou vytvářené bílkovinné řetězce drženy na svém místě tak, aby reaktivní karboxylové (-COOH) a aminové (-NH2) skupiny mohly snadno reagovat bez ohledu na to, jak velký je rostoucí protein. Tato skutečnost je v diskutovaném zjednodušeném modelu přehlížena. S rostoucí velikostí proteinu by esterová vazba byla stále více chráněna hmotou amorfního polypeptidu. Po vytvoření krátkého polypeptidu by bylo zabráněno další polymeraci, protože karboxylové a aminové funkční skupiny by se spolu nedostaly do kontaktu.

11. Naše největší námitka: nic z toho, co je třeba vysvětlit, nebylo vážně pojednáno. Co přesně jsou tyto „kofaktory“, které mají umožnit evoluci ve skutečné ribozomy a aaRS? Tyto stroje (ribozomy, aaRS atd.) vyžadují desítky přesně vytvořených bílkovin a bylo by zapotřebí několika zázraků k vytvoření přesných molekulárních nástrojů, které by systematicky nahradily páry bází používané k propojení řetězců tRNA a mRNA,¹³a ponechaly pouze interakce mezi kodony a antikodony. Předpokládá se, že takto nakonec vznikly moderní ribozomy. Všimněte si, že v dřívějších fázích evoluce bylo postulováno obrovské množství jedinečných párů bází, které umožňovaly jednoznačné přiřazení každé ancestrální „tRNA“ k přesné části mRNA. V modelu jsou tyto páry bází systematicky eliminovány, ale nesmí se ztratit specifičnost (tj. která tRNA se připojuje ke které části mRNA). Současně jsou další nedefinované vyvíjející se „kofaktory“ zodpovědné za to, že nakonec spojí jednu aminokyselinu se správnou tRNA, jak to dělají moderní aaRS. Je to proveditelné? Podle tohoto modelu¹³ se zpočátku množství různých polypeptidů (obsahujících 17 a více zbytků)¹³ vázalo na specifickou RNA, čímž vznikla prastará „tRNA“. (Pod pojmem „tRNA“ autor ve skutečnosti rozumí starobylou „nabitou tRNA“, která využívá polypeptid, a nikoliv jednu aminokyselinu). Dvacet aminokyselin na sedmnácti pozicích vede k 20¹⁷= 1.3 × 10²² možných „tRNA“ a řadě dalších, které mají delší nebo kratší připojené polypeptidy. Karboxylové a aminové konce těchto velkých polypeptidů se pak spojí a vytvoří primitivní proteiny (obrázek 11). Autor nevysvětluje, jak byla vybrána nepatrná část z více než 10²² alternativ, ani neuvažuje, zda by použitá nepatrná část stačila k zajištění minimálních biologických potřeb na základě takto hrubých proteinů. V moderním kódu jsou zakódovány všechny zbytky každého proteinu, což umožňuje vytvořit libovolnou sekvenci zbytků. Navrhovaný starověký kód by však byl schopen kódovat pouze jednotlivé velké, diskrétní „bloky“ aminokyselin. Alberti se domnívá, že k identifikaci správné RNA, na kterou se musí navázat, budou nakonec zapotřebí stále kratší a kratší polypeptidové řetězce. Tento proces musí být završen skutečnými aaRS, které nabíjejí jednu aminokyselinu na konkrétní vlákno RNA (tj. skutečné tRNA). (Připomeňme, že původně delší polypeptidy, které tvoří alfa-helixy, by byly nutné pro specifickou identifikaci RNA, se kterou mají vytvořit esterovou vazbu). Autor neuvedl žádné podrobnosti, které by odůvodňovaly tvrzení, že neřízená příroda by mohla tento efekt vyvolat pomocí „kofaktorů“ nebo jakoukoli jinou přírodní metodou. Přehlíží se však ještě jeden zásadní bod. Předpokládá se, že se původně diskrétní bloky polypeptidů spojily dohromady a vytvořily tak potřebné bílkoviny. Aminokyseliny jsou nyní eliminovány, což vede ke zkrácení „bloků“. S tím, jak se polypeptidy navázané na vlákna RNA zkracují, se na stejné vlákno RNA navážou různé sekvence jako dříve, čímž vznikne vyvíjející se kód, v němž se každá „tRNA“ nabije jinými polypeptidy. Není zřejmé, proč by modifikace jednotlivých „bloků“ vyřazením aminokyselin vedla k přijatelným primitivním proteinům. Vývoj všech „bloků“ by pak vedl k naprostému chaosu. Z naprosto stejné mRNA by nyní vznikaly naprosto odlišné verze proteinů.
12. Při zavádění kofaktorů mezi proto-tRNA a mRNA a mezi peptidy a tRNA se prostorové vztahy umožňující dřívější spojení peptidů zničí.

Namísto pokračování v podobných vágních chemických hypotézách se zdá rozumnější, aby evolucionisté využili libovolné chemické materiály (s plným vědomím jejich biologického původu) a v laboratoři ukázali něco konkrétního a použitelného. Pokud nelze inteligentně uspořádat všechny složky žádoucím způsobem (kromě prosté reprodukce existujícího genetického systému), pak v přírodních podmínkách s > 99,999% kontaminací, UV světlem a téměř nekonečným ředěním replikátor založený na kódu prostě nevznikne.

(II) Koevoluce biosynteticky příbuzných aminokyselinových drah

Z tohoto pohledu odráží současný kód historický vývoj. Nové, podobné aminokyseliny by se časem vyvinuly z existujících cest syntézy a byly by přiřazeny k podobným kodonům. Několik výzkumníků tvrdí,³⁴ že biosynteticky příbuzné aminokyseliny mají často kodony, které se liší pouze jedním nukleotidem. Uvádí se také,³⁵ že syntetázy II. třídy jsou starší než syntetázy I. třídy, a proto by deset aminokyselin obsluhovaných II. třídou vzniklo dříve ve vývoji genetického kódu.

Námitky. Tuto hypotézu zde nemůžeme důkladně analyzovat. Tento argument je však do značné míry oslaben skutečností, že mnoho aminokyselin je vzájemně konvertibilních. I náhodně generované kódy vykazují podobné asociace mezi biosynteticky příbuznými aminokyselinami,³⁴ takže není vůbec jasné, které aminokyseliny mají být považovány za biosynteticky příbuzné.³⁶

Příroda by musela experimentovat s mnoha možnými kódy a musela by vytvořit mnoho nových biochemických sítí, které by poskytly nové aminokyseliny k testování. To by vyžadovalo nové geny. Příroda se nedokáže dívat dopředu a obětovat se pro budoucnost, takže není možné, aby každý z mnoha mezistupňů zkoumání vyžadoval škodlivé fáze. To představuje nepřekonatelný problém pro to, čeho by mohla dosáhnout náhoda a přírodní výběr. O testování různých kódů jsme hovořili jinde.¹

Pokud byla v dřívější formě života použita pouze část aminokyselin, měly by být k dispozici potřebné důkazy. „Vysoce konzervované“ proteiny, u nichž se předpokládá velmi starý původ, by měly vykazovat silné využití původně omezeného souboru aminokyselin. Toto očekávání platí zejména v případě, že dochované sekvence vykazují malou variabilitu na stejných pozicích reziduí. Navíc první biosyntetická dráha mohla být vytvořena pouze z proteinů založených na tehdy dostupných aminokyselinách. Mohlo by se porovnat složení reziduí u členů ze starých a modernějších cest, aby se zjistilo, zda existuje zkreslení.

Je nepřiměřené požadovat tento druh důkazů? Předpokládejme, že by někdo ukázal, že bílkoviny využívané mechanismem syntetáz třídy II jsou závislé pouze na takto produkovaných aminokyselinách. Každý evolucionista na světě by to považoval za konečný a nezvratný důkaz své teorie. Proč bychom se tedy měli zdráhat takovou předpověď vyslovit? Než se blíže podíváme na data, předpokládáme, že tomu tak nebude.

(III) Vývoj a optimalizace pro předcházení chybám

Bylo navrženo,^37–39 že genetické kódy se vyvinuly buď proto, aby minimalizovaly chyby při translaci mRNA do bílkovin, nebo proto, aby se snížila závažnost výsledků,^40,41 které z toho vyplývají. Jiný podobný návrh^40,42 spočívá v tom, že účinky záměny aminokyselin prostřednictvím mutací mají být minimalizovány snížením pravděpodobnosti jejich výskytu a závažnosti následků, pokud k nim dojde. Bylo by žádoucí, aby náhodné mutace pouze zaváděly zbytky s podobnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi.^43,44

Aminokyseliny lze charakterizovat nejméně 134 různými fyzikálně-chemickými vlastnostmi,⁴⁵ takže se nabízí otázka, která vlastnost nebo skupina vlastností je nejdůležitější. Například měření objemu aminokyselin se zdá být méně důležité než kritéria polarity.⁴⁶ Kromě toho mutace C ↔ G bývají častější než mutace A ↔ U,⁴⁷ což by optimalizovaná konvence genetického kódování měla zohlednit. Přechodové mutace⁴⁸ se vyskytují častěji než transverzní mutace.⁴⁸ Během translace (a replikace DNA) jsou nejpravděpodobnější přechodové chyby, protože záměna purinu za jiný purin nebo pyrimidinu za jiný pyrimidin je ze stereochemických důvodů pravděpodobnější.

Nejlepší genetické kódy by proto vytvářely redundanci, takže nejpravděpodobnější chyby v translaci nebo mutace by velmi často vedly ke stejné aminokyselině. Freeland a Hurst⁴⁹ to vzali v úvahu, když pomocí počítače porovnávali milion náhodně vygenerovaných kódů, které měly stejný vzorec přiřazení kodonů různým aminokyselinám jako standardní kód. Pomocí míry hydrofobicity jako jediného klíčového atributu, který má být chráněn kódovací konvencí (a s přihlédnutím k mutačnímu zkreslení nukleotidů), našli pouze jeden kód z milionu, který by byl lepší pouze podle kritéria hydrofobicity. Jsme přesvědčeni, že při zohlednění více faktorů, které je třeba optimalizovat, by tento podíl byl mnohem menší.

Hydrofobicita odráží tendenci aminokyselin vyhýbat se kontaktu s vodou a nacházet se v pohřbeném vnitřním jádru složených proteinů. Bohužel nepanuje shoda na žádném lepším měření hydrofobicity aminokyselin; dosud bylo navrženo nejméně 43 různých laboratorních zkušebních metod.⁵⁰ Různá kritéria často vedou k velmi rozdílnému hodnocení hydrofobicity aminokyselin.⁵⁰

Jiní se domnívají, že důležitou roli hrála mutabilita: robustnost byla důležitá pro zachování některých proteinů, ale mutabilita byla nutná i pro evoluci.⁵¹ Další se zaměřují na celkový vliv mutací na interakce povrchu proteinu s rozpouštědlem,⁵² které vedou ke vzniku sekundárních vlastností bílkovin, jako jsou alfa šroubovice a beta listy.⁵³

Možnost použít různé kodony pro kódování stejné aminokyseliny může být výhodná. Pokud je například požadována nízká koncentrace proteinu, lze použít synonymní kodony, které vedou k pomalejší translaci^54,55 pomocí skutečnosti, že odpovídající aaRS jsou často přítomny ve velmi rozdílných poměrech. Pokud je specifická tRNA přítomna pouze v nízké koncentraci, musí cílový kodon čekat na translaci mnohem déle, než když je tRNA vysoce dostupná. Sharp et al. uvádějí,⁵⁶ že vysoce exprimované geny skutečně přednostně používají ty kodony, které vedou k rychlejší translaci. To se provádí udržováním různých koncentrací příslušných aaRS. Translace mRNA se může zpomalit, pokud vzácný kodon překládaný ribozomem musí počkat, až na toto místo narazí příslušná nabitá tRNA, například proto, aby měl čas zahájit skládání již přeložené části.⁵⁷

Není zřejmé, která vlastnost nebo vlastnosti aminokyselin by měly být zachovány v přítomnosti mutací. Jeden z návrhů Freelanda a jeho kolegů¹⁶ je použití maticových dat bodově akceptovaných mutací (PAM) 74-100. Srovnání zarovnaných verzí genů, které mutovaly (u organismů, které pravděpodobně sdílely společného předka) po přibližně 100 milionech let, by pravděpodobně odhalilo, které aminokyselinové substituce jsou variabilnější nebo naopak méně tolerantní k substituci. Autoři pak zkoumali, zda přiřazení synonymních kodonů chrání před takovými změnami, a dospěli k závěru,⁵⁸ že univerzální genetický kód „dosahuje 96% až 100% optimalizace vzhledem k nejlepší možné konfiguraci kódu“.

Mechanismy záměny kodonů. Existují různé scénáře,¹ jak mohou kodony začít kódovat jinou aminokyselinu. Podle Osawa-Jukesova modelu⁵⁹ mutace způsobí, že z genomu zmizí některé kodony, zatímco příslušné geny tRNA, které jsou nadbytečné, zaniknou. V tomto okamžiku by tyto genomy neměly všech 64 možných kodonů přítomných v oblastech kódujících bílkoviny. Předpokládá se, že tento proces je způsoben mutační odchylkou vedoucí k vyššímu obsahu A-T nebo G-C v genomu. Když se později tato mutační tendence obrátí, začnou se chybějící kodony objevovat někde v genomu. Ty již nemohly být přeloženy, protože chybí odpovídající tRNA. Duplikace genu pro tRNA následovaná mutacemi na pozici antikodonu by však mohla umožnit rozpoznání nového kodonu v mRNA, který by nyní znamenal jinou aminokyselinu.

Schultz-Yarusův⁶⁰ model je podobný, ale umožňuje, aby kodon zůstal částečně přítomen v genomu. Mutace na duplikované tRNA vytváří jiný antikodon nebo novou specifitu aminokyselinového náboje, a tím nejednoznačný překlad kodonu (tj. stejný kodon může být identifikován různými tRNA). Přírodní výběr by pak optimalizoval určitou kombinaci. Mimochodem, u některých druhů rodu Candida je CUG kódován buď serinem, nebo leucinem,⁶⁰ v závislosti na okolnostech.

Námitky. Různé potíže s pojetím pokusů o nalezení lepších kódovacích konvencí metodou pokus-omyl jsme probírali jinde.¹ Existuje více než 1,5 × 10⁸⁴ kódů, které by mohly mapovat 64 kodonů na 20 aminokyselin plus alespoň jeden stop signál.¹ To je obrovský prostor pro hledání a většina alternativ by musela být zamítnuta. Ale kdy příroda „pozná“, že se zkoumá lepší nebo horší kódovací konvence? Je zapotřebí několika fází.

1. Mnoho genů by muselo být funkčně blízkých optimálnímu stavu, aby přírodní výběr dokázal rozpoznat, kdy náhodné mutace vytvoří horší verze. To znamená, že k vytvoření mnoha optimálních genů by bylo zapotřebí nepředstavitelně velkého počtu mutačních pokusů. Zásahy do mutujícího genetického kódu by bránily přirozenému výběru.
2. Bylo by třeba překódovat jeden nebo více kodonů a zjistit jejich vliv na celý genom. Během tohoto procesu by mnoho kodonů bylo nejednoznačných, takže by téměř všechny geny u téhož jedince vytvářely nesčetné množství variant proteinů. Přírodní výběr by musel neustále vyhodnocovat, zda je vyvíjený kodon výhodný.

• Je třeba dokončit jednu vyvíjející se konvenci kódování, než bude zahájena další. Pokud by se například během intervalu, kdy kodon v 70 % případů vede k aminokyselině „a“ a ve 30 % případů k „b“, staly nejednoznačnými i další kodony, vznikl by buněčný chaos. Kromě toho nikde v přírodě nevidíme příklady, kdy by se v organismu vyskytovalo více nejednoznačných kodonů současně.

Generování nového kódu vyžaduje odstranění prostředků pro vznik původní možnosti kódování. V závislosti na mechanismu evoluce kódu to může znamenat odstranění duplicitních variant tRNA nebo aaRS v celé populaci. To bude téměř nemožné, protože selekční výhoda by byla minimální a v nejlepším případě by spotřebovala obrovské množství klíčového evolučního zdroje, času.

Příroda nemůže předem vědět, která kódovací konvence by nakonec byla lepší. Počáteční 0,1% nejednoznačnost v jediném kodonu, která může být omezena na jediný gen (např. v případě specifických chemických modifikací mRNA), bude přírodním výběrem jen stěží rozpoznána. Všimněte si, že tato 0,1% alternativní aminokyselina by byla náhodně rozložena ve všech kopiích tohoto kodonu v genu a výsledné proteiny by byly přítomny ve více kopiích. Alternativní zbytek by byl přítomen pouze v malé menšině těchto proteinů, a to náhodně.

Jakmile je nový kód opraven, omezuje to směr, kterým se mohou ubírat budoucí evoluční pokusy. Neexistuje žádný mechanismus, který by umožňoval návrat k předchozímu kódu, jakmile byl opuštěn, kromě opětovného přechodu na tento systém. Vzhledem k velkému množství nesouvisejících faktorů, které rozhodují o přežití prokaryot z hlediska vnějšího prostředí a kvality genetického systému, by přírodní výběr neměl žádné konzistentní vodítko. Pravidla by se neustále měnila. Při rozhodování o tom, jak naložit s každým kodonem, je třeba vzít v úvahu mnoho kritérií současně. Kodony mohou být použity několika kódy, které nesouvisejí s určováním aminokyselin,⁶¹ a relativní význam kompromisů se bude neustále měnit.

Diskuse

Věříme, že genetický aparát je výsledkem designu, a souhlasíme, že pro zvolené mapování kodon → aminokyselina musí existovat logický důvod. Domníváme se, že ochrana proti účinkům mutací je skutečně jedním z faktorů, které rozhodly o výběru. To by vyžadovalo znalost všech druhů genů potřebných pro všechny organismy a zvážení škod, které by jednotlivé druhy záměn aminokyselin mohly způsobit. Optimální návrh může také vyžadovat, aby se pro některé zamýšlené organismy používaly varianty kódu. Chceme však zdůraznit, že kód pro určení pořadí aminokyselin v proteinech není celým příběhem. Mnoho dalších kódů^61–63 se překrývá se stejnými geny a nekódujícími oblastmi a musí být rovněž zohledněno při návrhu kódu. Různé nukleotidové vzory se používají pro regulační a strukturní účely DNA. Ta musí poskytovat informace i pro mnoho dalších procesů, nejen pro specifikaci proteinových sekvencí. Tyto požadavky ovlivňují, který kód bude univerzálně optimální.

Zajímavé je, že teoretik designu může vyslovit podobný návrh jako Freeland a jeho kolegové¹⁶ zmíněný výše, ale na základě jiné argumentace. Podle prvního odhadu by byl optimální design stejných proteinů v různých organismech podobný. Z různých důvodů by občas bylo lepší nahradit některou aminokyselinu. Například v horkém prostředí se mohou proteiny skládat těsněji, zatímco v chladnějších podmínkách by tento design mohl zabránit enzymatické aktivitě tím, že by reaktivní místo bylo příliš hluboko zasazeno do tuhého hydrofobního kódu. Obecně platí, že optimální varianty proteinů musí často využívat zbytky s podobnými vlastnostmi, jako je hydrofobicita nebo velikost, na dané pozici. Geny by si nebyly podobné díky společnému původu, ale díky požadavkům designu. Mutace by následně generovaly méně optimální varianty, které by však byly stále dostatečně dobré.

Inteligentně naplánovaný genetický kód by s tím počítal. Proto by porovnání srovnaných genů a určení vzorců substituce skutečně poskytlo užitečné informace o požadavcích na aminokyseliny a použití alternativ. Pokud se jako soubor dat použije dostatečný počet taxonů žijících v mnoha prostředích, měli bychom být schopni získat dobrou představu o míře variability homologních proteinů. Samozřejmě se objeví i „šum“ v podobě náhodných mutací. Znalost dalších nadřazených kódů, které nejsou zodpovědné za kódování proteinových sekvencí, by umožnila ještě lépe kvantifikovat, jak optimální je ve skutečnosti standardní kód. Různé alternativní kódy musí splňovat mnoho požadavků na konstrukci a optimální kód bude nejlépe vyhovovat všem požadavkům, které jsou na něj kladeny.

V argumentaci je však jeden zásadní rozdíl. Předpokládáme, že Bůh věděl, jaké by měly být ideální sekvence proteinů, a tedy které z nich potřebují ochranu před mutacemi, a všechny ostatní role, které musí sekvence nukleotidů hrát. Evolucionista zde má problém. Dolaďování stovek nebo tisíců genů současně pomocí přírodního výběru tak, aby vznikl téměř optimální soubor, je absurdní. V době, kdy se optimalizuje regulace biochemických sítí a enzymů, se mění i pravidla v podobě kódu. Přesto měl poslední univerzální společný předek (LUCA) údajně již tisíce genů⁶⁴ a kompletní sadu tRNA syntetáz a tRNA⁷ asi před 2,5 miliardami let.⁶⁵ Ve skutečnosti i jiné úvahy⁶⁶ vedly k přesvědčení, že genetický kód je téměř stejně starý jako naše planeta. Jinými slovy, neměl prakticky žádný čas na vývoj, a přesto je téměř optimální tváří v tvář více než 1,5 × 10⁸⁴ alternativních kódovacích konvencí 64 → 21.

Všude vidíme důkazy o buněčných mechanismech určených k identifikaci, nápravě a opravě chyb. U pohlavně se rozmnožujících organismů pozorujeme duplikaci genů, která zmírňuje účinky mnoha škodlivých mutací, a tím pomáhá organismům zachovat si morfologickou funkci. Mnozí evolucionisté dnes předpokládají, že se příroda snažila zachovat složité funkce před degradací. To vše znamená, že bylo dosaženo vysoce optimálního stavu, který se příroda snaží udržet. Evolučnímu myšlení by více odpovídaly návrhy, které podporují „evoluční“ nebo adaptační schopnosti. Vývoje od jednoduché ke specifikované složitosti nelze dosáhnout bráněním změnám.

Shrnutí

Klíčovým prvkem evoluční teorie je, že život se z jednoduchého stal složitým. Požadavek, aby minimální složky genetického kódu současně fungovaly bez inteligentního vedení, je však nerozlišitelný od požadavku na zázrak. Hledání jednodušších nebo méně optimálních primitivních genetických kódů nebylo motivováno žádnými empirickými důkazy. Jakmile se vyloučí možnost božského působení jako příčinného faktoru, vzniká u mnoha vědců téměř bezvýhradná ochota přijímat absurdní představy. Vždyť se to přece muselo stát!

Došli jsme k závěru, že nikdo nenavrhl použitelný naturalistický model, který by ukázal, jak by se genetický kód mohl vyvinout z jednodušší verze v složitější.

Reference

1. Truman, R. a Terborg, P., Genetic code optimisation: Part 2 (Optimalizace genetického kódu: 2.část), J. Creation 21(3):84–92, 2007.
2. Judson, O.P. a Haydon, D, The genetic code: what is it good for? An analysis of the effects of selection pressures on genetic codes (Genetický k=o: k čemu slouží? Analýza efektu selektivních tlaků na genetický kód), J. Mol. Evol. 49:539–550, 1999.
3. Trevors, J.T. a Abel, D.L., Chance and necessity do not explain the origin of life (Náhoda a potřeba nevysvětlují původ života), Cell Biology International 28:729–739, 2004.
4. Je zde několik menších variant, o kterých se věří, že jsou degeneracemi univerzálního kódu. Viz Osawa S., Evolution of The Genetic Code (Evoluce genetického kódu), Oxford University Press, Oxford, 1995.
5. Trevors a Abel, ref. 3, str. 729.
6. Viz www.us.net/life/. Tato webová stránka v oddílu „Description and Purpose of the prize“, cituje: ‘“Cena počátku života” ® (orig. „The Origin-of-Life Prize, dále jen “Cena”) bude udělena za návrh a vysoce věrohodného mechanismu spontánního vzniku genetických instrukcí v přírodě dostatečných k nastartování života. Pro uplatnění výhry musí být vysvětlení v souladu s empirickými biochemickými, kinetickými a termodynamickými koncepty, jak je detailně popsáno níže, a být publikováno v respektovaném a recenzovaném vědeckém časopise.’
   

   ‘Jednorázová Cena bude udělena výherci (výhercům) ve formě dvacetileté renty v naději na odrazení teoretikovou okamžitou penzí od produktivní kariéry. Renta se vyplácí v hodnotě 50 000 USD ročně po 20 po sobě jdoucích let, celkově tedy milion dolarů ve splátkách.’

7. Knight, R.D., Freeland, S.J. a Landweber, L.F., Selection, history and chemistry: the three faces of the genetic code (Selekce, historie a chemie: tři tváře genetického kódu), TIBS 24:241–247, 1999.
8. Woese, C.R., The Genetic Code (Genetický kód), Harper & Row, New York, 1967.
9. Pelc, S.R. a Welton, M.G.E., Stereochemical relationship between coding triplets and amino-acids (Stereochemické vztahy mezi kódujícími triplety a aminokyselinami), Nature 209:868–872, 1966.
10. Dunnill, P., Triplet nucleotide-amino acid pairing: A stereochemical basis for the division between protein and nonprotein amino acids (Tripletové párování nukleotidů a aminokyselin: Stereochemický základ pro rozdělení mezi bílkovinnými a nebílkovinnými aminokyselinami), Nature 210:1267–1268, 1966.
11. Root-Bernstein, R.S., Amino acid pairing (Párování aminokyselin), J. Theor. Biol. 94:885–904, 1982.
12. Hendry, L.B. a Whitham, F.H., Stereochemical recognition in nucleic acid-amino acid interactions and its implications in biological coding: a model approach (Stereochemické rozpoznávání v interakcích nukleových kyselin a aminokyselin a jeho důsledky v biologickém kódování: modelový přístup), Perspect. Biol. Med. 22:333–345, 1979.
13. Alberti, S, Evolution of the genetic code, protein synthesis and nucleic acid replication (Evoluce genetického kódu, syntéza bílkovin a replikace nukleových kyselin) , MLS, Cell. Mol. Life Sci. 56:85–93, 1999.
14. Cedergren, R. a Miramontes, P., The puzzling origin of the genetic code (Nejasný původ genetického kódu), Trends Biochem. Sci. 21:199–200, 1996.
15. Freeland, S.J., Wu, T. a Keulmann, N., The Case for an Error Minimizing Standard Genetic Code (Případ chybné minimalizace standardního genetického kódu), Origins of Life and Evolution of the Biosphere 33:457–477, 2003. str. 458: „V tomto modelu selekce operuje nezávisle na předchozích evolučních silách a potenciálně přepisuje otisky prstů stereochemického původu a biosynteticky řízeného rozšiřování kódu.“
16. Freeland, S.J., Knight, R.D., Landweber, L.F. a Hurst, L.D., Early fixation of an optimal genetic code (Brzké fixování optimálního genetického kódu), Mol. Biol. Evol. 17(4):511–518, 2000.
17. Trifonov, E.N., Consensus temporal order of amino acids and evolution of the triplet code (Dohoda původního pořadí aminokyselin a evoluce tripletového kódu), Gene 261:139–151, 2000. Viz přehled a reference na str. 141.
18. Bergman, J., Why the Miller-Urey research argues against abiogenesis (Proč výzkum Millera a Ureyho argumentuje proti abiogenezi), J. Creation 18(2):74–84, 2002.
19. Miller, S.L., Production of amino acids under possible primitive earth conditions (Produkce aminokyselin za možných podmínek mladé Země), Science 117:528–529, 1953.
20. Truman, R. a Terborg, P., Why the shared mutations in the hominidae exon X GULO pseudogene are not evidence for common descent (Proč sdílené mutace v pseudogenu hominidae exon X FULO nejsou důkazem pro běžný úpadek), J. Creation 21(3):118–127, 2007.
21. Simpson, S., Life’s first scalding steps (První žhavé kroky života), Science News 155(2):24–26, 1999; str. 26.
22. Flowers, C., A Science Odyssey: 100 Years of Discovery (Vědecká Odysea: 100 let objevů), William Morrow and Company, New York, str. 173, 1998.
23. Shapiro, R., Origins; A Skeptics Guide to the Creation of Life on earth (Počátky: Skeptikův průvodce stvořením života na Zemi), Summit Books, New York, str. 99, 1986.
24. Campbell, N.A., Biology (Biologie), Benjamin/Cummings, Redwood City, CA, 1993.
25. Alberti, ref. 13 str. 87.
26. Sarfati, J., Origin of life: the chirality problem (Původ života: problém chirality), J. Creation 12(3):263–266, 1998.
27. Joyce, G.F. a Orgel, L.E., Prospects for understanding the origin of the RNA world (Brožury pro pochopení původu RNA světa); citováno v: Gesteland, R.F., Cech, T.R., Atkins, J.F. (Eds.), The RNA world (RNA svět), Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY; str. 49–78, 1999.
28. Sarfati, J., Hydrothermal origin of life? (Hydrotermální původ života?) J. Creation 13(2):5–6, 1999.
29. Imai, E., Honda, H., Hatori, K., Brack, A. a Matsuno, K., Elongation of oligopeptides in a simulated submarine hydrothermal system (Prodlužování oligopeptidů v simulovaném podmořském hydrotermálním systému), Science 283(5403):831–833, 1999.
30. Thaxton, C.B., Bradley, W.L. a Olsen, R.L., The Mystery of Life’s Origin (Tajemství původu života), Lewis and Stanley, Dallas, TX, 1992. Viz kap. 4.
31. Truman, R. a Heisig, M., Protein families: chance or design? (Proteinové rodiny: Náhoda či design?) J. Creation 15(3):115–127, 2001.
32. Truman, R., Searching for needles in a haystack (Hledání jehly v kupce sena), J. Creation 20(2):90–99, 2006.
33. Alberti, ref. 13, str. 90.
34. Knight et al., ref. 7, str. 243.
35. Hartman, H., Speculations on the origin of the genetic code (Spekulace ohledně původu genetického kódu), J. Mol. Evol. 40:541–544, 1995.
36. Amirnovin, R., An analysis of the metabolic theory of the origin of the genetic code (Analýza metabolické teorie počátku genetického kódu), J. Mol. Evol. 44:473–476, 1997.
37. Woese, C.R., On the evolution of the genetic code (O evoluci genetického kódu), Proc. Natl Acad. Sci. USA 54:1546–1552, 1995.
38. Goldberg , A.L. a Wittes, R.W., Genetic code: aspects of organization (Genetické kód: Aspekty uspořádání), Science 153:420–424, 1966.
39. Woese, C.R. The Genetic Code: The Molecular Basis for Genetic Expression (Genetické kód: Molekulární základ pro genovou expesi), Harper and Row, 1967.
40. Sonneborn, T.M, Degeneracy of the genetic code: extent, nature, and genetic implications (Degenerace genetického kódu: dosah, povaha a genetické důsledky); citováno v: Bryson V., Vogel H.J. (Eds.), Evolving genes and proteins (Vůvoj genů a proteinů), Academic Press, New York, NY, 1965.
41. Ardell, D.H., On error minimization in a sequential origin of the standard genetic code (O minimalizaci chyb v sekvenčním původu standardního genetického kódu), J. Mol. Evol. 47:1–13, 1998.
42. Epstein, C.J., Role of the amino-acid ‘code’ and of selection for conformation in the evolution of proteins (Role aminokyselinového „kódu“ a konformační selekce v evoluci bílkovin), Nature 210:25–28, 1966.
43. Wolfenden, R.V., Cullis, P.M. a Southgate C.C.F., Water, protein folding, and the genetic code (Voda, skládání bílkovin a genetický kód), Science 206:575–577, 1979.
44. Haig, D. a Hurst L.D., A quantitative measure of error minimization in the genetic code (Kvantitativní měření minimalizace chyb v genetickém kódu), J. Mol. Evol. 33:412–417, 1991.
45. Sneath, P.H.A., Relations between chemical structure and biological activity in peptides (Souvislost mezi chemickou strukturou a biologickou aktivitou peptidů), J. Theor. Biol 12:157–195, 1966.
46. Ardell, ref. 41, str. 2.
47. Ardell, ref. 41, str. 8.
48. Při tranzičních mutacích je pyrimidin nahrazován jiným pyrimidinem, nebo purin jiným purinem (A ↔ G nebo C ↔ T). U transverzních mutací je pyrimidin nahrazen purinem a naopak (A ↔ C, G ↔ T, G ↔ C nebo A ↔ T). A, C, G a T zde reprezentují 4 možné nukleotidy užité v DNA.
49. Freeland, S.J. a Hurst, L.D., The genetic code is one in a million (Genetické kód je jeden z milionu), J. Mol. Evol. 47:238–248, 1998.
50. Trinquier, G. a Sanejouand,Y.-H., Which effective property of amino acids is best preserved by the genetic code? (Která efektivní vlastnost aminokyselin je nejlépe zachována genetickém kódem?), Protein Engineering 11(3):153–169, 1998.
51. Maeshiro, T. a Kimura M., The role of robustness and changeability on the origin and evolution of genetic codes (Role robustnosti a měnitelnosti na původ a evoluci genetického kódu), Proc. Natl Acad. Sci. USA 95:5088–5093, 1998.
52. Sitaramam, V., Genetic code preferentially conserves long-range interactions among the amino acids (Genetický kód přednostně uchovává široce působící interakce mezi aminokyselinami), FEBS Lett. 247:46–50, 1989.
53. Dufton, M.J., Genetic code redundancy and the evolutionary stability of protein secondary structure (Redundance genetického kódu a evoluční stabilita sekundární struktury bílkovin), J. Theor. Biol. 116:343–348, 1985.
54. Grosjean H. a Fiers W, Preferential codon usage in prokaryotic genes: the optimal codon–anticodon interaction energy and the selective codon usage in efficiently expressed genes (Preferenční použití kodonů v prokaryotických genech: Optimální energie interakce kodon – antikodon a selektivní použití kodonu v účinné genové expersi), Gene 18:199–209, 1982.
55. Sørensen, M.A. a Pedersen, S. Absolute in vivo translation rates of individual codons in Escherichia coli—the two glutamic acid codons GAA and GAG are translated with a threefold difference in rate (Absolutní rychlosti in vivo translace individuálních kodonů v Escherchia coli – dva kodony kyseliny glutamové GAA a GAG jsou přepisovány trojnásobně různou rychlostí), J. Mol. Biol. 222:265–280, 1991.
56. Sharp, P.M., Stenico, M., Peden, J.F. a Loyd, A.T., Codon usage: mutational bias, translational selection or both? (Použití kodonu: mutační přednost, translační selekce či obojí?) Biochem. Soc. Trans. 21:835–841, 1993.
57. Kimchi-Sarfaty, C. et al., A ‘silent’ polymorphism in the MDR1 gene changes substrate specificity („Tichý“ polymorfismus v genu MDR1 mění specificitu substrátu), Science 315:525–528, 6. ledna 2007; publikováno online 21. prosince 2006; www.sciencemag.org.
58. Freeland et al., ref. 16, str. 515.
59. Osawa, S. a Jukes, T.H., Evolution of the genetic code as affected by anticodon content (Evoluce genetického kódu ovlivněná obsahem antikodonu), Trends Genet. 4:191–198, 1988.
60. Yarus, M. a Schultz, D.W., Toward an explanation of malleability in genetic coding (Směrem k vysvětlení proměnlivostí v genetickém kódování), J. Mol. Evol. 45:1–8, 1997.
61. Trifonov, E.N., Genetic sequences as product of compression by inclusive superposition of many codes (Genetická sekvence jako produkt stlačení inkluzivní superpozicí mnoha kódů), Molecular Biology 31(4):647–654, 1997.
62. Segal E., Fondufe-Mittendorf Y., Chen L., Thastrom A., Field Y., Moore, I.K., Wang, J.P. a Widom J., A genomic code for nucleosome positioning (Genomický kód nukleosomového umisťování), Nature 442(7104):772–778, 2006.
63. Wade N., Scientists Say They’ve Found a Code Beyond Genetics in DNA Vědci tvrdí, že našli kód nad rámec genetiky v DNA), The New York Times, 25. července 2006.
64. Ouzounis, C.A., Kunin, V., Darzentas, N. a Goldovsky L., A minimal estimate for the gene content of the last universal common ancestor: exobiology from a terrestrial perspective (Minimální očekávání obsahu genu posledního universálního společného předka: exobiologie z pozemské perspektivy), Res. Microbiol. 157:57–68, 2006.
65. Gu., X, The age of the common ancestor of eukaryotes and prokaryotes: statistical inferences (Věk společného předka eukaryot a prokaryot: statistický zásah), Mol. Biol. Evol. 14(8):861–866, 1997.
66. Eigen, M., Lindemann, B.F., Tietze, M., Winkler Oswatitsch, R., Dress, A. a Haeseler, A., How old is the genetic code? Statistical geometry of tRNA provides an answer (Jak starý je genetický kód? Statistická geometrie tRNA nabízí odpověď), Science 244:673–679, 1989.