Происхождение жизни на Земле: сдвиг парадигмы

Согласно новой теории химиков LMU во главе с Томасом Кареллом, это были новые молекулярные виды, состоящие из РНК и пептидов, которые привели в движение эволюцию жизни в более сложные формы.

Происхождение жизни на Земле

Изучение того, как жизнь могла возникнуть так давно на ранней Земле, является одной из самых увлекательных задач науки. Какие условия должны были преобладать для формирования фундаментальных строительных блоков более сложной жизни? Один из основных ответов основан на так называемой концепции мира РНК, сформулированной пионером молекулярной биологии Уолтером Гилбертом в 1986 году.

Согласно гипотезе, нуклеотиды — фундаментальные строительные блоки нуклеиновых кислот A, C, G и U – возникли из первичного бульона, а из нуклеотидов образовались короткие молекулы РНК. Эти так называемые олигонуклеотиды уже были способны кодировать небольшое количество генетической информации.

Однако, поскольку такие одноцепочечные молекулы РНК могли также объединяться в двойные цепи, это привело к теоретической перспективе того, что молекулы могут воспроизводить себя, т. е. воспроизводиться. В каждом случае подходят друг к другу только два нуклеотида, а это означает, что одна цепь является точной копией другой и, таким образом, образует матрицу для другой цепи.

Химики Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана Феликс Мюллер (слева) и Луис Эскобар обсуждают новый молекулярный дизайн пребиотика. Фото: © Маркус Мюллер / LMU

В ходе эволюции эта репликация могла улучшиться и в какой-то момент дать более сложную жизнь. «Идея мира РНК имеет большое преимущество, поскольку она намечает путь, по которому могут появиться сложные биомолекулы, такие как нуклеиновые кислоты, с оптимизированными каталитическими свойствами и в то же время свойствами кодирования информации», — говорит химик Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU). Томас Карелл. Генетический материал, как мы его понимаем сегодня, состоит из двойных цепей ДНК , слегка модифицированной прочной формы макромолекулы, состоящей из нуклеотидов.

Однако гипотеза не лишена недостатков.

• Например, RNS — очень хрупкая молекула, особенно когда она становится длиннее. Кроме того, неясно, как могло произойти соединение молекул РНК с миром белков, для которых генетический материал, как мы знаем, дает чертежи. Как изложено в новой статье, опубликованной в журнале Nature , рабочая группа Карелла обнаружила, как могла произойти эта связь.
• Чтобы понять, мы должны еще раз, более внимательно взглянуть на РНК. Сама по себе РНК представляет собой сложную макромолекулу. В дополнение к четырем каноническим основаниям A, C, G и U, которые кодируют генетическую информацию, он также содержит неканонические основания, некоторые из которых имеют очень необычную структуру.
• Эти нуклеотиды, не кодирующие информацию, очень важны для функционирования молекул РНК. В настоящее время нам известно более 120 таких модифицированных нуклеозидов РНК, которые природа включает в молекулы РНК.

Весьма вероятно, что они являются реликтами бывшего мира РНК.

Луис Эскобар из Carell Group в своей лаборатории. Фото: © Маркус Мюллер / LMU

Группа Карелла обнаружила, что эти неканонические нуклеозиды являются, так сказать, ключевым ингредиентом, позволяющим миру РНК соединиться с миром белков. Согласно Кареллу, некоторые из этих молекулярных окаменелостей могут, находясь в РНК, «украшать» себя отдельными аминокислотами или даже их небольшими цепочками (пептидами). Это приводит к небольшим химерным РНК-пептидным структурам, когда аминокислоты или пептиды присутствуют в растворе одновременно с РНК. В таких структурах аминокислоты и пептиды, связанные с РНК, затем даже реагируют друг с другом, образуя все более крупные и сложные пептиды. «Таким образом, мы создали в лаборатории РНК-пептидные частицы, которые могли бы кодировать генетическую информацию и даже формировать удлиняющие пептиды», — говорит Карелл.

«Возможно, что чистого мира РНК никогда не существовало, но РНК и пептиды с самого начала сосуществовали в общей молекуле». — Проф. Томас Карелл

Таким образом, древние ископаемые нуклеозиды чем-то похожи на ядра РНК, образуя ядро, на котором могут расти длинные пептидные цепи. На некоторых цепях РНК пептиды даже росли в нескольких точках. «Это было очень неожиданное открытие, — говорит Карелл. «Возможно, что чистого мира РНК никогда не существовало, но РНК и пептиды с самого начала сосуществовали в общей молекуле». Таким образом, мы должны расширить понятие мира РНК до мира РНК-пептидов.

Взаимная работа пептидов и РНК

Согласно новой идее, пептиды и РНК взаимно поддерживали друг друга в своей эволюции.

Согласно новой теории, решающим фактором в начале было наличие молекул РНК, которые могли украшать себя аминокислотами и пептидами и таким образом объединять их в более крупные пептидные структуры. «РНК постепенно превратилась в постоянно совершенствующийся катализатор связывания аминокислот», — говорит Карелл. Эта связь между РНК и пептидами или белками сохранилась и по сей день. Наиболее важным катализатором РНК является рибосома, которая и сегодня связывает аминокислоты в длинные пептидные цепи. Одна из самых сложных РНК-машин, она отвечает в каждой клетке за перевод генетической информации в функциональные белки. «Таким образом, мир РНК-пептидов решает проблему курицы и яйца», — говорит Карелл. «Новая идея создает основу, на которой постепенно становится объяснимым происхождение жизни».

Источник

Метки: Астробиология