Способная к самовоспроизведению нить РНК может быть ключом к происхождению жизни

Фото из открытых источников

Сегодня РНК может казаться менее значимой по сравнению со своим более привлекательным родственником, ДНК, но многие ученые считают, что молекулы РНК сыграли ключевую роль в происхождении жизни. Благодаря способности хранить генетическую информацию и самовоспроизводиться, они, возможно, положили начало эволюционному процессу, который привел к появлению все более сложных форм жизни. 

До сих пор исследователи не обнаружили РНК, способных к саморепликации, — ключевой особенности живых организмов. Но теперь у них есть нечто близкое к этому. В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи сообщают о создании РНК, способных генерировать своего рода зеркальное отражение и использовать этот шаблон для создания оригинала.

Одна молекула РНК не может завершить полный цикл, но исследователи говорят, что это достижение значительно укрепляет идею о том, что РНК была первопроходцем в эволюции. «Это очень хорошие результаты», — говорит Джеральд Джойс из Института биологических исследований Салка и один из пионеров гипотезы «мира РНК».

Его и других исследователей привлекла РНК, потому что даже сегодня эта молекула выполняет две функции, жизненно важные для живых организмов. Она кодирует генетическую информацию в своей последовательности химических строительных блоков, называемых нуклеотидными основаниями. А стабильные трехмерные структуры, в которые она сворачивается, могут выполнять вторую важную функцию: выступать в качестве катализаторов, способствуя жизненно важным химическим реакциям, не расходуясь при этом. Для многих исследователей эта двойная роль сделала РНК кандидатом на роль «запускающего фактора» жизни, способного как кодировать собственный состав, так и катализировать собственное размножение.

В 1993 году, после создания и тестирования библиотек, содержащих триллионы различных РНК, исследователи под руководством Джека Шостака и Дэвида Бартеля обнаружили те, которые могли выполнять некоторые необходимые функции. А в 2009 году Джойс и его коллеги выделили две разные РНК, способные синтезировать друг друга.

Однако они не могли самовоспроизводиться, и, имея размер от 150 до 200 оснований и более, они были слишком велики, чтобы возникнуть спонтанно из соединений на ранней Земле. «Они не могут появиться из первобытного бульона», — говорит Джойс. И при таком размере они, вероятно, разложатся, прежде чем их можно будет полностью синтезировать. Новые версии, напротив, примерно в три раза меньше, что делает их спонтанное появление, по крайней мере, возможным. «Это большое нововведение», — говорит Джойс.

Чтобы минимизировать деградацию, биохимики Эдоардо Джанни и Филипп Холлигер со своей командой из Кембриджского университета проводили эксперименты в условиях низких температур. Они предположили, что низкая температура не только замедлит реакции, приводящие к деградации РНК, но и поможет процессу копирования РНК. Когда вода начинает замерзать, она вытесняет другие соединения из растущих кристаллов льда, концентрируя нуклеотиды, соли и другие ключевые строительные блоки синтеза РНК в крошечных каналах, заполненных раствором. В этих каналах также наблюдается более низкая концентрация жидкой воды, что ускоряет деградацию РНК, объясняет Холлигер.

Когда РНК находятся в растворе для замораживания со смесью отдельных нуклеотидов, большинство РНК остаются свернутыми — в той форме, которую они должны принимать, чтобы служить катализаторами. Но чтобы выступать в качестве матрицы для копирования, молекулы РНК должны быть развернуты. В более ранних работах предлагался подход: введение триплетов из слитых нуклеотидов, которые могут помочь удерживать нить РНК-матрицы в ее открытой конформации. После экспериментов с примерно 1 триллионом различных случайных последовательностей РНК в смеси для замораживания команда обнаружила, что включение как отдельных оснований, так и триплетов позволяет некоторым нитям РНК сворачиваться и действовать как катализаторы, в то время как другие остаются открытыми для копирования.

Команда обнаружила три РНК, каждая длиной около 45 оснований, которые могли копировать себя в комплементарные матрицы. РНК также могли делать следующий шаг, начиная с матриц и воссоздавая оригиналы. Пока нет доказательств того, что одна РНК может осуществлять обе реакции, циклически синтезируя свою комплементарную РНК и затем используя её для синтеза самой себя. А низкие температуры означали, что синтез новых нитей РНК занимал около 72 дней. Но жизнь могла зародиться в холоде: многие исследователи происхождения жизни считают, что естественные циклы замерзания и оттаивания на Земле могли способствовать концентрации строительных блоков жизни.

«Следующая задача — выяснить, можно ли сделать эту или подобную систему достаточно эффективной, чтобы действительно наблюдать повторяющиеся циклы репликации», — говорит Шостак. Если это произойдет, РНК может превратиться из возможного источника жизни в вероятный.