Английские ученые впервые продемонстрировали, в каких условиях молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) могли самовоспроизводиться на начальных этапах зарождения жизни на Земле. Исследователи воссоздали химический цикл, который позволяет молекулам РНК реплицироваться (самовоспроизводиться) без помощи сложных ферментов и теоретически отражает условия, необходимые для появления первых живых организмов миллиарды лет назад. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.
Согласно концепции «мир РНК», до появления ДНК и сложных белков функцию хранения генетической информации и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот (РНК). Однако попытки воссоздать условия, в которых могла происходить репликация РНК, сталкивались с рядом серьезных ограничений. Новосинтезированные в лабораторных условиях комплементарные цепи РНК мгновенно слипаются с образованием двойной спирали, что делает невозможным дальнейшую репликацию. Все предыдущие попытки обойти это ограничение подразумевали искусственное изменение условий или добавление сложных ферментов в реакционную смесь, что едва ли соответствовало реальным условиям, в которых зарождалась жизнь.
В новом исследовании авторы задействовали строительные блоки РНК, состоящие из трех нуклеотидов — тринуклеотиды — вместо одиночных нуклеотидов, часто используемых в подобных экспериментах. В водный раствор, содержащий молекулы РНК и тринуклеотиды, ученые добавляли кислоту, после чего нагревали. Это позволяло разделить двойную спираль. Затем действие кислот нейтрализовали, а сам раствор быстро замораживали. В образовавшихся между кристаллами льда, заполненных жидкостью промежутках ученые наблюдали, как тринуклеотиды садились на комплементарные участки РНК и не давали нитям образовать двойную цепь, препятствующую репликации. В этих условиях рибозим-полимераза (молекула РНК, которая катализирует репликацию) получала доступ к одноцепочечным матрицам РНК и, привлекая тринуклеотиды, могла синтезировать комплементарные (дочерние) цепи.
«Мы не могли полагаться на сложный фермент, как это часто происходит сегодня в биологии. Нам было необходимо гораздо более простое решение. Спроектированные нами изменяющиеся условия могут возникать естественным образом, например, при ночных и дневных циклах изменения температуры или в геотермальных средах, где горячие породы соприкасаются с холодной атмосферой», — объяснил Джеймс Этуотер из Лондонского университета.
При размораживании и повторном запуске цикла повторяющиеся изменения кислотности и температуры, которые вполне могли происходить в естественных условиях, позволяли РНК воспроизводиться снова и снова, образуя достаточно длинные для выполнения биологических функций цепочки. Применение метода по отношению к пулам случайных последовательностей РНК приводило либо к отбору определенных реплицирующихся последовательностей, либо к постепенному формированию сложной, развивающейся системы. Последняя возникала благодаря частичной саморепликации рибозим-полимеразы при одновременном синтезе новых случайных РНК-последовательностей, что отражает процессы молекулярной эволюции.
Открытие крайне важно для понимания происхождения жизни. Описанный авторами метод, основанный на элементарных физических процессах и химических превращениях, наиболее правдоподобно отражает первые эволюционные этапы. Ключевые условия, такие как колебания pH и температуры, по словам исследователей, могут возникать в пресноводных прудах или озерах, особенно в геотермальных средах, в которых тепло из недр Земли достигает поверхности. Важно отметить, что репликация РНК не могла происходить в соленой воде, поскольку наличие соли препятствует замораживанию и не позволяет тринуклеотидам достичь необходимой концентрации. Без комбинации образующих изолирующий барьер липидов и других молекул, как отмечают авторы статьи, зарождение жизни из РНК не было бы возможным.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
