Возможно, жизнь зародилась, когда молекулы РНК начали самовоспроизводиться, и теперь мы наконец-то обнаружили молекулу РНК, которая очень близка к тому, чтобы это делать.
Художественное изображение QT45 (на основе прогноза AlphaFold3), наложенное на микроскопическое изображение замороженной среды, способствующей репликации РНК. Изображение Эльфи Чанга, полученное с помощью микроскопа, автор Джеймс Аттуотер.
Согласно гипотезе о мире РНК, жизнь зародилась, когда молекулы РНК приобрели способность создавать больше своих копий. Теперь мы обнаружили молекулу РНК, которая почти способна на это – она может выполнять ключевые этапы, но не все сразу.
«Поиск момента, когда можно было бы убедиться в способности РНК к самовоспроизведению при правильных условиях, был долгим. Думаю, это доказывает, что это возможно», — говорит Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания.
Реклама
В живых клетках белки выполняют ключевые задачи, такие как катализ химических реакций, а рецепты для их осуществления хранятся в двухцепочечных молекулах ДНК. РНК — химический аналог ДНК, который обычно существует в виде одноцепочечных молекул.
РНК не так хорошо хранит информацию, как ДНК, потому что она менее стабильна, но она может делать то, чего не может ДНК: сворачиваться, образуя белкоподобные ферменты, способные катализировать химические реакции. Поскольку РНК может как хранить информацию, так и выступать в качестве катализатора, еще в 1960-х годах было высказано предположение, что жизнь могла зародиться из молекул РНК, способных катализировать собственное образование.
Однако найти такие молекулы оказалось очень сложно. Исследователи долгое время предполагали, что самовоспроизводящиеся РНК должны быть относительно большими и сложными, но оказалось, что развернуть большие РНК для их репликации очень трудно.
Более того, хотя было показано, что относительно короткие молекулы РНК могут спонтанно образовываться при определенных условиях, образование крупных молекул крайне маловероятно.
«Это натолкнуло нас на мысль: а может, мы ошибаемся? Может, что-то простое, что-то маленькое, могло бы осуществить этот процесс», — говорит Холлигер. «И поэтому мы начали искать и нашли такое средство».
РНК состоят из строительных блоков, называемых нуклеотидами. Команда начала с генерации триллиона случайных последовательностей длиной 20, 30 или 40 нуклеотидов. Из них они выбрали три, способные осуществлять такие реакции, как соединение нуклеотидов. Эти три последовательности были соединены вместе и подвергнуты нескольким раундам эволюции — случайным изменениям, или мутациям, частей последовательности и отбору наиболее эффективных вариантов.
Полученная молекула, названная QT45, имеет длину всего 45 нуклеотидов. В щелочной воде, температура которой чуть выше нуля, она может использовать одноцепочечную РНК в качестве матрицы для создания комплементарных цепей, соединяя короткие нити из двух или трех нуклеотидов, включая создание последовательности, комплементарной ее собственной. «В настоящее время этот процесс довольно медленный и малоэффективный, но это неудивительно», — говорит Холлигер.
QT45 также может создавать больше своих копий из этих комплементарных нитей. «Это впервые фрагмент РНК, который может создавать себя и кодирующую его нить, а это две составляющие реакции саморепликации», — говорит Холлигер. Но пока команде не удалось добиться обеих реакций в одном и том же контейнере. Теперь планируется как дальнейшее развитие молекулы, так и эксперименты с условиями, такими как циклы замораживания-оттаивания, чтобы выяснить, могут ли обе реакции происходить одновременно.
«Самое интересное то, что как только система начнет самовоспроизводиться, она должна стать самооптимизирующейся», — говорит Холлигер. Это происходит потому, что процесс, полный ошибок, будет порождать множество вариаций, некоторые из которых могут работать лучше, порождая все больше собственных вариантов, и так далее.
«Новые результаты, полученные в лаборатории Холлигера, исключительны и представляют собой значительный шаг вперед, приближая нас еще ближе к созданию полностью самовоспроизводящейся РНК», — говорит Сабина Мюллер из Грайфсвальдского университета в Германии.
«Пожалуй, наиболее значимым аспектом этого открытия является обнаружение последовательности РНК-олигомеров среднего размера, обладающих такими способностями к самосинтезу», — говорит Закари Адам из Университета Висконсина в Мэдисоне.
Как отмечает Адам, количество РНК-последовательностей длиной в 45 нуклеотидов само по себе «невообразимо велико», поэтому команде удалось обнаружить QT45, начав всего с триллиона случайных последовательностей.
На ранней Земле молекулы, подобные QT45, могли самовоспроизводиться в среде, чем-то напоминающей современную Исландию, говорит Холлигер, где присутствовал лед, а также гидротермальная активность, приводящая в действие циклы замерзания-оттаивания и создающая градиенты pH. По его мнению, для изоляции ключевых компонентов потребовалась бы некая компартментализация, но это могло бы происходить разными способами: от скоплений талой воды во льду до спонтанного образования клеточных везикул из жирных кислот.
DOI журнала Science : 10.1126/science.adt2760
Источник: www.newscientist.com
