Капли РНК раскрывают удивительную тайну зарождения жизни

Фото из открытых источников

Капли РНК способны концентрировать молекулу, не имея при этом никакой мембраны, а количество тепла, необходимого для их образования, определяется одним атомом кислорода. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Каждая живая клетка хранит свои химические вещества за стенкой. До появления клеток эти химические вещества должны были где-то накапливаться, и это одна из самых сложных задач при объяснении зарождения жизни.

Теперь у исследователей есть вариант, который обходит стенку: РНК сжимается в каплю жидкости, ничем не обернутая вокруг нее. Легкость этого процесса определяется одним атомом кислорода.

Этот атом — единственное химическое различие между РНК и ДНК.

Группа исследователей под руководством физика Прии Банерджи из Департамента физики Университета Буффало связала это явление с тем, насколько легко РНК соединяется между собой.

В ходе экспериментов было установлено, что РНК образует капли при более низких температурах, чем ДНК, и некоторые из этих капель затем застывают, образуя гель, который не плавится обратно.

Ничего подобного не происходило в океане. Это были синтезированные в лаборатории РНК и ДНК в соленой воде на предметном стекле микроскопа. Исследователи называют эти капли конденсатами.

Работы Банерджи относятся к концепции, называемой миром РНК. До того, как ДНК и белки разделили между собой эту работу, РНК, возможно, выполняла обе задачи одновременно, перенося генетические инструкции и ускоряя химические реакции.

У этой идеи есть две давние проблемы.

РНК легко распадается, так как же она сохранилась на молодой, горячей планете? И как достаточное количество копий оказалось достаточно близко друг к другу, чтобы вступить в реакцию, прежде чем появилась хоть одна клетка, способная удерживать их вместе?

Если упаковать РНК в каплю, обе проблемы решаются одновременно, по крайней мере, на бумаге. Молекулы внезапно концентрируются и частично экранируются от внешних воздействий.

Исследование 2023 года, проведенное под руководством Банерджи, показало, что при повышении температуры РНК собирается в капли, похожие на жидкость, и данное исследование продолжает эту тенденцию.

Команда создала парные конструкции: нить РНК и нить одноцепочечной ДНК, составляющие одну и ту же последовательность букв. Затем они добавили магний, нагрели образцы под микроскопом и зафиксировали температуру, при которой появились капли.

РНК не требовала такого сильного нагрева. В диапазоне концентраций версия РНК начинала образовывать капли примерно на 10°C ниже, чем версия ДНК. Для одной пары последовательностей разница достигла 15°C, что является самым большим измеренным значением.

Это довольно большой разрыв для двух молекул, отличающихся всего одним атомом.

В химическом отношении они различаются одним атомом кислорода на каждой сахарной единице. РНК содержит атом кислорода с присоединенным атомом водорода, образуя пару, называемую 2'-гидроксильной группой, в том месте, где ДНК содержит только атом водорода.

Результаты моделирования, проведенного группой Джерелла Джозефа в Принстонском университете и подтвержденные рентгеновскими измерениями, указывают на то, какую роль играет этот дополнительный кислород. РНК удерживает ионы магния ближе к своей основе и содержит меньше молекул воды, чем ДНК.

Потеря воды — это одна из причин, по которой цепочки молекул соединяются при повышении температуры, поэтому РНК делает это при более низкой температуре.

В ходе сравнения было нарушено одно эмпирическое правило. Нити ДНК более компактны, чем молекулы белка, а в исследованиях белков компактная молекула обычно легче образует скопления. В данном случае более рыхлая молекула сконденсировалась первой.

Не все капли вели себя одинаково. Молекулы внутри некоторых капель РНК образовывали сеть и переставали двигаться, и охлаждение не отменяло это изменение.

Версия ДНК оставалась обратимой даже тогда, когда команда значительно повысила концентрацию.

Кислота оказала аналогичное воздействие на РНК. В диапазоне pH от 5 до 6 капли РНК перестали плавиться и стали оставаться на месте. Исследователи выяснили, что это произошло благодаря цитозину, одной из четырех букв РНК, который захватил протон в кислой воде.

Команда Банерджи заявила, что более плотная, сетчатая капля может лучше защитить РНК в суровых условиях. Любой, кто занимается изучением происхождения жизни, должен объяснить, как хрупкая молекула просуществовала достаточно долго, чтобы иметь значение.

РНК внутри клетки не остается химически однородной.

Одно из наиболее распространенных изменений, которое он обнаруживает, — это метилирование в том же самом месте, при котором к атому кислорода добавляется небольшой кластер атомов углерода и водорода.

Кэпированная РНК оказалась посередине. Ее капли образовывались при температурах, промежуточных между температурами обычной РНК и ДНК, и то, застынут ли они в гель, зависело от условий.

Команда также попробовала использовать РНК, модифицированную естественным путем. Транспортная РНК от микроба, обитающего в экстремальных условиях, содержит четыре таких кэпа, имеющихся в природе.

Порядок был таким же: немодифицированный вариант конденсировался при самой низкой температуре, а вариант с крышкой — последним.

«Эта единственная кислородсодержащая группа в сахаре РНК оказывает удивительно сильное влияние на то, соединятся ли эти молекулы, останутся ли они динамичными или застынут в гелеобразном состоянии», — сказал соавтор исследования Гейбл Уодсворт.

Ничто из этого не доказывает, что капли РНК когда-либо образовывались на молодой планете. Команда работала в воде с фиксированным количеством магния или кальция, используя последовательности, которые они выбрали сами.

Они не пытались воспроизвести то, что представляли собой строительные блоки жизни четыре миллиарда лет назад. Работа прошла рецензирование, хотя журнал опубликовал её досрочно, до финального этапа редактирования.

«Эти результаты могут в конечном итоге позволить нам ответить на еще более глубокие вопросы, например, помогли ли эти конденсаты преодолеть разрыв между простыми молекулами и самыми ранними формами жизни», — сказал Банерджи.

Чтобы приблизиться к ответу, нужно заставить капли что-то делать. Лаборатория Банерджи сейчас пытается запрограммировать их на проведение биохимических реакций внутри.

Цель состоит в создании рабочего отсека размером с клетку, полностью построенного из РНК, без мембран, от которых зависит каждая живая клетка.