Меню

Происхождение жизни на Земле: вопросы к теории ”РНК-мира”

Жизнь на Земле возникла в результате взаимодействия нуклеиновых кислот и белков (пептидов), вследствие чего сформировались генетические «оставы» первых проторганизмов. Об этом говорится в новых статьях биохимиков из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и Университета Окленда. Предложенная ими гипотеза «пептид-РНК» противоречит широко распространенной теории «РНК-мира», согласно которой жизнь возникла из нуклеиновых кислот и только позже произошла их трансформация в белки.

Новые статьи, размещенные в Molecular Biology and Evolutionи в Biosystems, описывают, как экспериментальные исследования позволили предположить, какие процессы заставили биохимические соединения перейти на эволюционные рейсы более четырех миллиардов лет назад.

«До сих пор считалось невозможным проведение экспериментов, позволяющих проникнуть в истоки генетики», - говорит один из соавторов новой теории Чарльз Картер, доктор философии, профессор биохимии и биофизики в Школе медицины UNC. «Но мы теперь показали, что экспериментальные результаты прекрасно сочетаются с теорией «пептид-РНК», и поэтому эти эксперименты дают довольно убедительные данные, что произошло в начале жизни на Земле».
рнк-синтез

Симбиоз первых ферментов и белков могли не только создать примитивный генетический код, но и раннюю биологию, а значит привести первые формы жизни к большему разнообразию и усложненным структурам, утверждают исследователи.

Еще один соавтор Питер Уиллс, профессор физики Университета Окленда, уточняет: «По сравнению с гипотезой РНК-мира мы изложили просто более вероятный сценарий возникновения жизни. Мы надеемся, что наши данные и теория, которую мы изложили в этих статьях, будет стимулировать обсуждение и дальнейшие исследования по вопросам, связанных с истоками жизни».

Оба ученых полностью осознают, что гипотеза РНК-мира все еще доминирует в области исследований происхождения земной жизни.

«Эта теория настолько привлекательна и полезна, что большинство людей просто не думают, что есть какая-то альтернатива», - уверен Картер. «Но мы уверены в обратном». До того, как возникла жизнь, на Земле существовали простые химические соединения. Так или иначе, они продуцировали как в аминокислоты, так и в нуклеотиды (и это остается пока что загадкой), которые в конечном итоге стали примитивными белками и нуклеиновыми кислотами, необходимыми для формирования отдельных клеток. Впоследствии сами клетки стали растениями и животными.

Исследование показало, как первичный химический суп создал строительные блоки жизни. Далее все просто - существует широко распространенный научный консенсус относительно исторического пути, по которому клетки эволюционировали в растения и животные. Однако по-прежнему остается необъяснимым, как основные блоки аминокислот сначала «собирались» в соответствии с закодированными шаблонами нуклеиновой кислоты в белки, а затем как запустился процесс формирования клеток. Теория РНК-мира утверждает, что РНК - молекула, которая сегодня играет главенствующую роль в кодировании, регуляции и экспрессии генов, возвысилась от первичного супа аминокислот и космических химических соединений, что привело к получению коротких белков, называемых пептидами и затем к одноклеточным организмам. Почему произошло такое «возвышение», остается загадкой.

Картер и Уиллс утверждают, что РНК не способны начать подобный процесс «естественного синтеза» только потому, что ей не хватает внутреннего компонента, который ученые называют «рефлексивностью». Белки без внешнего вмешательства или катализатора не могут применять правила, с помощью которых они созданы. РНК необходимы пептидам для формирования рефлексивного цикла обратной связи, продуцировать жизненные формы. Иначе говоря, теория РНК-мира, - хотя это и не признают ее сторонники, - предполагает наличие готовых форм жизни, которые на первом этапе могли бы синтезировать аминокислоты. Что, естественно, является абсурдом, если мы говорим об аутентичном происхождении жизни. В основе теории пептид-РНК лежат ферменты, которые, не взирая на свою древность, все еще встречаются во всех живых клетках и даже в некоторых субклеточных структурах, включая митохондрии и вирусы.

В настоящее время известны 20 древних ферментов, так называемые аминоацил-тРНК-синтетазы (aaRS). Каждый из них распознает одну из 20 аминокислот, служащих в качестве строительных блоков белков (белки катализируют и синхронизируют химические реакции внутри клеток.) В современных организмах aaRS эффективно связывает свою назначенную аминокислоту со строкой РНК, содержащей три нуклеотида, комплементарные сходной в транскрибированном гене. Таким образом, aaRS играют центральную роль в превращении генов в белки, процессе, называемом трансляцией, который необходим для всех форм жизни. 20 ферментов aaRS относятся к двум структурно разным семействам, каждая из которых располагает 10-ю aaRS. Недавние экспериментальные исследования Картера показали, что два древнейших фермента этих семейств были закодированы противоположными дополнительными цепями одного и того же малого гена. Простота компоновки, с ее первоначальным двоичным кодом только двух видов аминокислот, предполагает, что это произошло на самом раннем этапе биологического мира. Более того, жесткая, инь-янская взаимозависимость этих двух родственных, но сильно отличающихся ферментов стабилизировала раннюю биологию таким образом, что неизбежно повлекло за собой последовательную диверсификацию формирующейся жизни.

«Взаимозависимые пептиды и кодирующие их нуклеиновые кислоты могли бы помочь молекулярной самоорганизации друг друга, несмотря на постоянные случайные нарушения, которые окружают все молекулярные процессы», - убежден Картер. «Мы считаем это тем, что породило мир пептид-РНК на ранней стадии истории Земли», - сказал Картер.

Связанные исследования коллеги Картера и Ричарда Вольфендена из UNC ранее показали, как химия аминокислот позволила первым ферментам aaRS правильно складываться в функциональные ферменты, одновременно определяя назначения в таблице универсального генетического кодирования.

«Принуждение к взаимосвязи между генами и аминокислотами зависит от aaRS, которые сами кодируются генами и сделаны из аминокислот», - убежден Уиллс. «В свою очередь, aaRSs зависят от того же отношения. Здесь есть базовая рефлексивность. Теоретик Дуглас Хофстадтер назвал это «странной петлей». Мы предполагаем, что данный фактор тоже сыграл решающую роль в самоорганизации биологии, когда жизнь началась на Земле. Хофстадтер утверждал, что рефлексивность обеспечивает силу, способствующую росту сложности».

Картер и Уиллс предложили две дополнительные причины, по которым биология чистой РНК любого значения вряд ли может предшествовать биологии пептид-РНК. Первая- катализ с участием других молекул. Катализ - ключевая особенность биологии, которую РНК не может выполнять с большой универсальностью. В частности, ферменты РНК не могут легко адаптировать свои действия к изменениям температуры, которые, вероятно, произошли с охлаждением Земли, и поэтому не могут выполнять очень широкий диапазон каталитических ускорений, которые были необходимы для синхронизации биохимии ранних клеточных форм жизни. Только пептидные или белковые ферменты имеют такую каталитическую универсальность.

Вторая причина состоит в том, что любые внешние изменения (раздражители) заблокировали бы переход от мира чистой РНК к миру белок-РНК и дальше к жизни.

«Такой рост от РНК до жизни на основе клеток потребовал бы «голубого» появления aaRS-подобного белка, который работал даже лучше, чем его адаптированный аналог РНК», - полагает Картер. «Это крайне маловероятное событие должно было произойти не один, а несколько раз - единожды для каждой аминокислоты в существующем генно-белковом коде. Это просто не имеет смысла».

Поскольку новая теория Картера-Уиллса фактически решает реальные проблемы происхождения жизни, которые скрыты из-за целесообразности гипотезы РНК-мира, на самом деле это гораздо более простой отчет о том, что, вероятнее всего, произошло незадолго до того, когда жизнь вырвалась из первоначального супа. Но все же проблема биогенеза остается нерешенной: что мы называем жизнью, точнее говоря тем, что определяется как начало биологии?

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2017-11-08 Раздел:Биология