Білки з ’явилися до нуклеїнових кислот
Що було більш значущим на зорі життя: білки чи нуклеїнові кислоти? Білки, можливо, мали стратегічну перевагу, за умови довготривалого становлення, коли вони перетворилися на самовідтворювані каталізатори і фактично запустили процес біохімічної еволюції.
Проблема полягає в тому, що теорія "РНК-світу", про яку ми писали раніше, насилу пояснює, як з'явилося життя на Землі. РНК сама по собі - це точка відліку, але не початковий фактор еволюції, що породжує спекуляції в середовищі макробіологів.
Однак якщо на якийсь час забути про нуклеїнові кислоти (як під час розв'язання математичних рівнянь із двома і більше невідомими), тоді буде потрібна модель, що описує, яким чином ранні біополімери впродовж тривалого часу згорнулися в корисні форми й тим самим спровокували народження життя.
На практиці це означає відновлення уявлення про найпростіші білки як оригінальні біомолекули, що самовідтворюються. Для макробіологів, які постійно вирішують питання про курку чи яйце, залишається незрозумілим, що змусило основні хімічні будівельні блоки приблизно чотири мільярди років тому створити більш довгі полімери, які виконують функції зберігання спочатку біологічної, а потім уже генної інформації, а також каталізації хімічних реакцій.
Протягом більшої частини біоісторії нуклеїнові кислоти обробляли отриману ззовні інформацію, тим самим удосконалюючи білкові структури.
Водночас саме ДНК і РНК несуть інструкції для одержання білків, а білки витягують і копіюють ці інструкції у вигляді ДНК або РНК.
Процес взаємооборотний. Але що з них могло б спочатку обробити всі дані самостійно? Протягом багатьох десятиліть найкращим кандидатом на роль "перводвигуна" була РНК - особливо після відкриття 1980-х років, коли стало зрозуміло, що РНК також може згортати і каталізувати реакції, як це роблять білки.
Пізніше теоретичні та експериментальні дані ще більше зміцнили гіпотезу "РНК-світу", згідно з якою саме РНК породила те, що називається життям. Але РНК досить складна для ранніх етапів природної біохімії, тому деякі експерти скептично ставляться до припущення, що цей вид нуклеїнових кислот спонтанно виник у суворих умовах передбіотичного світу.
Крім того, незрозуміло, яким чином молекули РНК і білки набули форми подовжених складених ланцюжків, а раннє середовище ("біохімічний суп", як заведено позначати це явище) не запобігло утворенню нуклеїнових і амінокислот.
Умови були найжорстокіші, але, тим не менш, якимось чином спрацювала перша реакція і перші ж молекули не просто прижилися, а й саморозвивалися саме в тих умовах.
Кен Ділл з Університету Стоуні Брук у Нью-Йорку разом з Рональдом Цукерманом з Національної лабораторії Лоуренса Берклі в Каліфорнії нещодавно представили можливе рішення цієї головоломки.
Стаття була надрукована в PNAS цього літа. Ділл розробив свою модель ще 1985 року, але тоді початкова версія теорії стосувалася "проблеми згинання білка": як послідовність амінокислот у протенинах диктує відтворення складних структуру?
Його гідрофобополярна протеїн-складна модель розглядає 20 амінокислот як два типи субодиниць, подібних до різних кольорових намистин: синє намисто (полярні мономери) та червоне (неполярні мономери).
Модель пояснює послідовне згинання таких намистинових ланцюжків у вершинах двовимірної решітки, нібито розкладаючи їх на квадрати шахової дошки. Кожен такий квадрат з часом заповнюється червоними гідрофобними намистинками, і в цьому сенсі "втеча від води" пророкувала появу життя.
Далі знадобилося ціле десятиліття, щоб відповісти на питання про походження енергії, необхідної для згинання білкових послідовностей. Ділл вважав, що створювана ним модель відтворить світ ранньої Землі, - а заразом і пояснює перехід від пребіотичної хімії до біології.
Відповідь, на його думку, криється в складних полімерах. Спочатку з'явився один набір гідрофобних і полярних мономерів: повний асортимент усіх можливих червоно-синіх намист довжиною до 25 намистин. Тільки 2,3 відсотка цих послідовностей згортаються в компактні структури.
І тільки 12,7 відсотка з них - лише 0,3 відсотка від початкового набору - складаються в конформації, які, зрештою, можуть виявитися провісником життя.
Такі конформації можуть послужити посадковим майданчиком для гідрофобних розділів послідовностей. Якщо одночасно з'являється одна червона кулька і відповідний ланцюжок послідовностей, то термодинаміка, що виникає, сприяє двом послідовностям, що з'єднуються.
Іншими словами, конформація діє як каталізатор для подовження полімерів, прискорюючи реакції в десятки разів.
Автокаталітичне орігамі
Більшість із цих подовжених полімерів просто продовжують рухатися. Деякі з них формують вузли, а деякі навіть мають власний оригінальний каталізатор.
Складені молекули з посадковими майданчиками не тільки продовжують формувати довгі полімери дедалі в більшій і більшій кількості, а й також становлять те, що називається автокаталітичним набором, у якому вихідники або прямо, або опосередковано каталізують формування своїх копій.
Іноді два або більше вузликів беруть участь у взаємному каталізі, посилюючи реакції, які формують один одного. Хоча такі множини зустрічаються рідко, кількість молекул, що виникають, зростає експоненціально і трансформується в пребіотичний суп.
"Це схоже на створення лісової пожежі", - жартує Ділл. - "У цьому вся магія: здатність невеликої події використовувати найбільші події".
Що необхідно для підпалу цього процесу, - окремі послідовності гідрофобних і полярних компонентів.
"Це ставить під сумнів походження життя, заснованого на гіпотезі "РНК-світу", - впевнений Ендрю Похорілл, директор Центру обчислювальної астробіології та фундаментальної біології NASA.
Для нього і деяких інших учених білки здаються "більш природною відправною точкою", тому що їх простіше зробити, ніж нуклеїнові кислоти.
Похорілл стверджує, що система зберігання інформації, виявлена в найбільш ранніх рудиментах життя, була б менш розвиненою, якби базувалася виключно на приматі нуклеїнової кислоти. Це родюче середовище, багате на інформацію, могло б стати більш привабливим для появи РНК.
Оскільки РНК життєздатна за автокаталізу, у довгостроковій перспективі це обертається створенням складнішого генетичного матеріалу. Інакше кажучи, йдеться про непряме підтвердження теорії розширеного еволюційного синтезу.
Пошук доказів за допомогою пептоїдів
Звичайно, ключ до всього цього полягає в реальних експериментах.
"Усе, що відбувається від 2,5 до 3 мільярдів років тому, - це спекуляція", - зі свого боку, каже Еріх Борнберг-Бауер, професор молекулярної еволюції в Університеті Вестфаліс Вільгельмс Мюнстер у Німеччині, який описує роботу Ділла як "дійсний доказ концепції". Модель все ще потребує перевірки на прикладі інших експериментальних досліджень, що має призвести до падіння "гіпотези РНК".
Ось чому Цукерманн, один зі співавторів Ділла у виданні PNAS, почав роботу над проєктом, який, як він сподівається, підтвердить гіпотезу колеги.
Двадцять п'ять років тому, приблизно в той час, коли Ділл пропонував свою модель зречення від "РНК-світу", Цукерманн розробляв синтетичний метод створення штучних полімерів, званих пептоїдами.
Він використовував небіологічні молекули для створення білково-імітуючих матеріалів. Тепер він використовує пептоїди для перевірки вихідної гіпотези, досліджуючи, як скидаються послідовності і чи будуть вони ефективними каталізаторами.
Під час експерименту Цукерманн сказав, що він і його колеги тестуватимуть тисячі послідовностей. Що напевно виявиться вкрай скрутним. Модель Ділла, на думку Цукерманна, дуже спрощена і не враховує багато складних молекулярних деталей і хімічних взаємодій, які характеризують реальне життя.
"Це означає, що ми зіткнемося з реаліями атомного рівня, які модель не здатна передбачити", - каже вчений.
Одна з таких реалій може полягати в тому, що пара груп молекул буде збиратися замість того, щоб каталізувати виробництво одна одної. Скептики гіпотези Ділла побоюються, що гідрофобні утворення набагато легше взаємодіють одне з одним, а не з іншими полімерними ланцюжками.
Але, за словами Похорілла, потенціал агрегації автоматично не означає, що Ділл помиляється у визначенні початку автокаталізу.
Утім, ніхто не заперечує академічне панування РНК-теорії. Проте Ділл і Цукерманн з оптимізмом дивляться на результат подальших досліджень.
Тепер пріоритетне завдання полягає у визначенні умов появи стійкого генетичного коду. А тут уже з'являється ще одна проблема - як білки, нуклеїнові та амінокислоти утворили згодом те, що ми називаємо "живим організмом".