Химики впервые воссоздали способ воспроизведения РНК

Фото из открытых источников

Химики из UCL и Лаборатории молекулярной биологии MRC продемонстрировали, как РНК (рибонуклеиновая кислота) могла реплицироваться на ранней Земле — ключевой процесс в зарождении жизни.

Ученые полагают, что в самых ранних формах жизни генетический материал переносился и реплицировался цепями РНК, прежде чем ДНК и белки появились и заняли лидирующие позиции.

Однако заставить нити РНК реплицироваться в лаборатории простым способом (то есть, это могло произойти в начале жизни) оказалось сложной задачей. Нити РНК застегиваются в двойную спираль, которая блокирует их репликацию. Как и липучки, их трудно разорвать и быстро склеивать обратно, не оставляя времени на их копирование.

В исследовании, описанном в Nature Chemistry, ученые преодолели эту проблему, используя трехбуквенные «триплетные» строительные блоки РНК в воде и добавив кислоту и тепло, которые разделили двойную спираль. Затем они нейтрализовали и заморозили раствор. В жидких зазорах между кристаллами льда они увидели, что триплетные строительные блоки покрыли нити РНК и не дали им снова сомкнуться вместе, что позволило репликации произойти.

При размораживании и повторном запуске цикла повторяющиеся изменения pH и температуры (которые вполне могли бы иметь место в природе) позволили РНК реплицироваться снова и снова, при этом нити РНК были достаточно длинными, чтобы иметь биологическую функцию и играть роль в зарождении жизни.

«Жизнь отделена от чистой химии информацией, молекулярной памятью, закодированной в генетическом материале, который передается от одного поколения к другому. Чтобы этот процесс произошел, информация должна быть скопирована, т. е. воспроизведена, чтобы быть переданной», - сказал руководитель исследования Филипп Холлигер (Лаборатория молекулярной биологии MRC).

«Репликация имеет основополагающее значение для биологии. В каком-то смысле именно поэтому мы здесь. Но в биологии нет никаких следов первого репликатора», - добавил соавтор исследования Джеймс Аттуотер (химия UCL и лаборатория молекулярной биологии MRC). «Даже одноклеточный организм, являющийся предком всей известной жизни - Последний Универсальный Общий Предок (LUCA), является довольно сложным образованием, и за ним скрывается большая часть эволюционной истории, которая скрыта от нас».

«Наша лучшая догадка заключается в том, что ранняя жизнь управлялась молекулами РНК. Но большой проблемой для этой гипотезы является то, что мы не смогли заставить молекулу РНК реплицироваться таким образом, который мог бы иметь место до того, как жизнь началась несколько миллиардов лет назад.  Мы не можем полагаться на сложный фермент, чтобы сделать это, как это происходит в биологии сегодня. Это должно быть гораздо более простое решение. Изменяющиеся условия, которые мы спроектировали, могут происходить естественным образом, например, при ночных и дневных циклах температуры или в геотермальных средах, где горячие породы встречаются с холодной атмосферой», - пишут авторы. «Триплетные или трехбуквенные строительные блоки РНК, которые мы использовали, называемые тринуклеотидами, сегодня не встречаются в биологии, но они позволяют гораздо легче реплицироваться. Самые ранние формы жизни, вероятно, сильно отличались от любой жизни, о которой мы знаем. Модели биологических видов, которые мы пытаемся построить, должны быть достаточно простыми, чтобы они могли возникнуть из химии ранней Земли».

Хотя в статье основное внимание уделяется исключительно химии, исследовательская группа заявила, что созданные ими условия могут правдоподобно имитировать условия в пресноводных прудах и озерах, особенно в геотермальных средах, где тепло из недр Земли достигает поверхности.

Однако эта репликация РНК не может происходить в замерзающей и оттаивающей соленой воде, поскольку присутствие соли мешает процессу замерзания и не позволяет строительным блокам РНК достичь концентрации, необходимой для репликации цепей РНК.

Исследователи утверждают, что хотя высокая концентрация РНК может также возникать в результате испарения, например, при испарении лужи при высоких температурах, молекулы РНК нестабильны при более высоких температурах и с большей вероятностью разрушаются.

Происхождение жизни, скорее всего, не связано исключительно с РНК, но, как полагают, она возникла из сочетания РНК, пептидов (коротких цепочек аминокислот, являющихся строительными блоками белков), ферментов и образующих барьер липидов, которые могут защищать эти ингредиенты от воздействия окружающей среды.

Несколько исследователей из UCL и Лаборатории молекулярной биологии MRC (LMB) находят подсказки о том, как зародилась жизнь. В последние годы группы под руководством Джона Сазерленда (LMB) и профессора Мэтью Паунера (UCL Chemistry) продемонстрировали, как химия могла создать многие ключевые молекулы происхождения жизни, включая нуклеотиды (строительные блоки РНК и ДНК), аминокислоты и пептиды (строительные блоки белков), простые липиды и предшественники некоторых витаминов, из простых молекулярных строительных блоков, вероятно, в изобилии встречавшихся на ранней Земле.