В продължение на много десетилетия биолозите, химиците и дори математиците работят върху проблема за произхода на живота. И въпреки че вече има научно обосновани и подкрепени хипотези за химическа еволюция преди появата на първата клетка, работата в тази посока продължава. „Lenta.ru“говори за ново изследване на проблема със света на РНК, резултатите от което са публикувани в списанието Proceedings of the National Academy of Sciences.
Учени от държавния университет в Портланд, провеждайки експерименти върху рибозими, откриха, че способността на тези молекули да катализират собствения си сбор зависи от взаимодействието им с други подобни молекули. Изследването косвено подкрепя хипотезата на света на РНК, която гласи, че първата органична молекула, станала основа за първите клетки, е била РНК. Тези молекули на РНК бяха в състояние да се само синтезират, да се конкурират помежду си и да участват в пребиотична еволюция, когато най-успешните съединения станаха основа за по-сложни химични комплекси.
Много хора знаят, че живите клетки имат свои специални катализатори: ензими, които са сложно сгънати протеинови молекули, които извършват жизненоважни реакции. Въпреки това, ензимите могат да бъдат не само протеини, но и РНК вериги. Спомнете си, че РНК е нуклеинова киселина, много подобна на ДНК, но се различава от нея по това, че съдържа захарната рибоза (не дезоксирибоза), а една от азотните основи, тиминът, се заменя с урацил. Според учените, РНК се е появила преди ДНК, тъй като е много по-лабилна (нейната структура е по-податлива на промени) и може да провежда каталитични реакции без помощта на протеини. РНК молекулите, които са ензими, се наричат рибозими. Обикновено рибозимите катализират разцепването на себе си или на други молекули на РНК.
Един от най-добре проучените рибозими е Azo, ензим, произведен от учени от самонарязващите се I интрони от група I, открити в ДНК на бактерията Azoarcus. Интроните са региони на гени, които не съдържат информация за последователността на протеин или нуклеинова киселина и се ексцизират по време на съзряването на пратената РНК (мРНК). Всички интрони от I група катализират собствената си ексцизия от РНК последователността. Интронен рибозим Азо, който представлява интерес за учените, е разположен в ген, който кодира транспортна РНК (tRNA), която носи изолевцина на аминокиселината. Вътре в клетката Азо, подобно на други рибозими, осъществява собственото си изрязване от тРНК, но в лабораторни условия той успя да се научи да извършва обратното сплайсиране: рибозимът разрязва на определено място субстрата - къса молекула РНК със специфична нуклеотидна последователност, т.е.части от които остават прикрепени към Азо.
Структурата на рибозима на бактерията Azoarcus. Фрагментът IGS е маркиран в червено
Изображение: Jessica AM Yeates и др. Катедра по химия, Портландски държавен университет
Азо е дълъг около 200 нуклеотида и може да се разпадне на два, три или четири фрагмента, които спонтанно се събират при 42 градуса по Целзий в присъствието на разтвор на MgCl2. Процесът на самосглобяване започва с взаимодействието между две нуклеотидни триплети (триплети), принадлежащи на различни фрагменти на РНК. Когато водородните връзки се образуват между триплетите според принципа на допълване, частите на рибозима променят своята пространствена структура и се обединяват взаимно. Учените са се фокусирали върху реакцията на самосглобяване на два фрагмента, които се наричат ориентировъчно WXY и Z, където W, X, Y и Z представляват отделни участъци от рибозима с дължина приблизително 50 нуклеотида (фиг. 1). На място W, в предния край на молекулата на РНК, се намира една от тройките, т.е.който участва в инициирането на самосглобяване и се нарича "вътрешна направляваща последователност" (IGS). В края на WXY има триплет от тагове, който, взаимодействайки с IGS, образува силна ковалентна връзка с фрагмента Z.
Промоционално видео:
Изследователите създадоха различни варианти (генотипи) на WXY фрагменти, като промениха нуклеотидите, разположени в средата на IGS и таг триплетите (нуклеотиди M и N, съответно). Тъй като молекулите на РНК обикновено се формират само от четири типа нуклеотиди, има 16 такива варианта. Например, един от генотипите може да бъде 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', а другият 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Всички тези варианти на молекули могат да се конкурират помежду си, образувайки различни метаболитни мрежи, в които за възстановяване на цял рибозим е необходим общ ресурс - Z молекулата.
Реакцията между различни фрагменти от азо рибозима за образуване на цяла молекула
Изображение: Jessica AM Yeates и др. Катедра по химия, Портландски държавен университет.
В своите експерименти учените за първи път тестват способността на всеки генотип да се събира самостоятелно. Когато M и N образуват двойки Уотсън-Крик (тоест според принципа на допълване, A - U, C - G), скоростта на самосглобяване на рибозима става по-висока, отколкото при другите видове двойки. След това изследователите симулират топла среда с „малко езерце“, в която различни пребиотични молекули си взаимодействат помежду си, за да получат ползи една от друга и да ускорят самоорганизацията. Биохимиците проследяват поведението на генотипове, сдвоени помежду си, общо учените изследвали 120 двойки, състоящи се от два различни WXY варианта. Те измерват скоростта на всяка реакция, протичаща между молекулите на двата WXY генотипа и Z фрагментите в отделни епруветки за 30 минути.
Взаимодействие между последователности на различни рибозимни фрагменти с използване на водородни връзки
Изображение: Jessica AM Yeates и др. Катедра по химия, Портландски държавен университет
Комбинирайки резултатите от двата етапа на експеримента и постигайки степента на самосглобяване, когато взаимодействат два различни генотипа, изследователите създават еволюционен експеримент. Двойките генотипове се смесват в равни пропорции, осигуряват се Z-фрагменти и взаимодействат помежду си в продължение на пет минути. През това време учените вземат проби от 10 процента от разтвора в нова епруветка, която съдържа повече нереагирали WXY от всеки генотип и Z-фрагменти. Учените проследиха съотношенията на всеки WXYZ генотип по време на осем такива трансфера. Това даде възможност да се оцени химическият еквивалент на еволюционния успех на рибозимите през поколенията, който беше наблюдаван като "експлозия" - тоест силно увеличаване на скоростта на самосглобяване на РНК. В еволюционен експеримент биолозите изследвали взаимодействието на седем двойки рибозими.
Въз основа на всички лабораторни експерименти учените са извлекли математически модел на диференциални уравнения, които отчитат скоростта на самосглобяване на генотипове със или без наличието на други генотипове. Този модел стана основата на нова теория на еволюционните игри, която определя няколко поведения на молекулите на РНК. В единия случай, наречен „Доминиране“, един от генотипите винаги е по-често срещан от другия, докато скоростта на самосглобяването му винаги надвишава скоростта на конкурента. В другия случай - „Сътрудничество“- и двата генотипа, които си взаимодействат един с друг, получават ползи от „сътрудничеството“, а скоростта на тяхното самосглобяване надвишава тази, която биха имали отделно един от друг. „Егоистичният сценарий“- точно обратното на „Сътрудничество“- означава, че всеки рибозим поотделно получава повече, отколкото при взаимодействие с някой друг. И накраяв "Контра доминиране" генотипът с ниска степен на самосглобяване изведнъж започва да се среща по-често от конкурента си.
Това проучване не е насочено директно към доказване на хипотезата на света на РНК, но все пак представлява още едно парче в пъзела на научното разбиране на пребиотичната еволюция. За първи път беше показано, че ензимните свойства на отделните молекули могат да бъдат подобрени в присъствието на други молекули, които се различават само с един или два нуклеотида. В гигантското решение, което бяха земните океани в зората на живота, тези молекули се конкурираха помежду си за субстрати, сътрудничеха си и засилиха своето действие. Въз основа на това вече може да се предположи защо сложни органични съединения се стремят да се обединят в системи, които са прототипи на първите клетки.
Александър Еникеев