Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК.
Как в мир РНК пришли белки
В результате эксперимента ученые показали, как отдельные виды РНК превратились в сложную систему: сеть репликаторов, состоящую из пяти типов РНК с разнообразными взаимодействиями. Это первое эмпирическое свидетельство того, что простые биологические молекулы могут привести к возникновению сложных систем, похожих на живые. Происхождение жизни согласно дарвиновской теории эволюции основано на переходе от самовоспроизводящихся молекул, таких как РНК, к сложным живым системам. Тем не менее, современная наука не дает четкого ответа на вопрос, каким образом произошел переход от отдельных химических молекул к сложным формам жизни. Одна из научных гипотез предполагает, что первоначально на Земле существовали несвязанные молекулы РНК, возможно, вместе с белками и другими органическими веществами. Затем около четырех млрд лет назад эти молекулы начали самовоспроизводиться и развиваться от одиночной молекулы в разнообразные сложные системы.
ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Источник фото: Сгенерировано нейросетью fusionbrain Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира.
По данной гипотезе, первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, способные размножаться без участия белковых ферментов. Исследователи столкнулись с проблемой - как такая молекула могла появиться из предшественников, не обладающих каталитической активностью. Источник фото: Фото редакции Однако было установлено, что рибозим, способный расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно благодаря нескольким консервативным элементам.
Современные вариации этих классических экспериментов используют куда более сложные постановки, которые точнее соответствуют условиям ранней Земли. Имитируются воздействия вулканов с их выбросами сероводорода и двуокиси серы, присутствие азота и т. Так ученым удается получать огромное и разнообразное количество органики — потенциальных кирпичиков потенциальной жизни.
Главной проблемой этих опытов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул таких как аминокислоты образуются в смеси в равных количествах, тогда как вся известная нам жизнь за единичными и странными исключениями включает лишь L-изомеры. Впрочем, к этой проблеме мы еще вернемся. Здесь же стоит добавить, что недавно — в 2015 году — кембриджский профессор Джон Сазерленд John Sutherland со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси — циановодород и сероводород, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остается добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, — такие как фосфаты, соли меди и железа. Ученые построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нем появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция.
Гипотезу абиогенного происхождения жизни из «органического бульона», которую проверили эксперименты Миллера и Юри, выдвинул в 1924 году советский биохимик Александр Опарин. И хотя в «темные годы» расцвета лысенковщины ученый принял сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания роли академика имя его носит главная награда, вручаемая Международным научным обществом изучения возникновения жизни ISSOL , — Медаль Опарина. Премия присуждается каждые шесть лет, и в разное время ее удостаивались и Стэнли Миллер, и великий исследователь хромосом, Нобелевский лауреат Джек Шостак. Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия — с изменчивым названием. Научно: Химическая эволюция Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации.
Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента воду и углерод — NS в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные — прежде всего — к саморепликации. По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль. На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса.
Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции — такие как восстановление минерала пирита FeS2 водородом до сульфида железа и сероводорода. В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера — Юри. А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия. Молодая Земля не была защищена от вредных — и даже смертельно опасных — компонентов солнечного излучения.
Но и тут оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось во время биохимической эволюции. Чтобы в этом разобраться, ученые разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В ходе эксперимента появились короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Из-за этого появлялось множество копий разрушенного полимера.
РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле
Проблема в том, что ингредиенты, такие как ферменты, для работы РНК просто не существовали на ранней Земле. В течение десятилетий химики проверяли теории о том, как началась жизнь на Земле. Одна гипотеза годами привлекала научное воображение: Мир РНК. Эта теория предполагает, что молекулы пребиотиков рано объединились, чтобы сформировать РНК, молекулы, которые несут инструкции от ДНК в организмах сегодня. Проблема в том, что ингредиенты, такие как ферменты, для работы Мира РНК просто не существовали на ранней Земле.
Это происходит на фоне относительно высокого содержания катионов магния в зерне Безостой 1 и соответствует реальному районированию сортов: высоко морозоустойчивый сорт Краснодарская 39 относительно низкое содержание магния в зерне способен давать урожай вплоть до Самарской области, в то время как средне морозоустойчивый сорт Безостая 1 давал и даёт великолепные урожаи, но в относительно узкой южной полосе. Особенности сорта Безостая 1 образно можно представить как глухонемого человека в группе пахарей. Товарищи отвлекаются на различные развлекательные и опасные аспекты жизни, а глухонемой пашет и пашет. Поэтому в конечном итоге выясняется, что он вспахал больше всех.
Но это только при условии относительно благоприятных обстоятельств. Этот вывод позволяет объективно понять природу феномена сорта Безостая 1 и, отталкиваясь от этих знаний, заложить основу понимания сакральных молекулярно-биологических процессов, лежащих в основе селекции и определяющих её будущие успехи. Таким образом, Безостая 1 фактом своего существования великолепно подтверждает вывод, сделанный Н. Вавиловым в 30-ых годах ХХ века: «Генотип должен превалировать над средой». Фундаментальные исследования молекулярной биологии РНК сорта Безостая 1 привели к прикладным исследованиям, способствовали формированию элементов молекулярных основ теории морозоустойчивости и возможности разработки простых методов оценки морозоустойчивости сортов озимой мягкой пшеницы по содержанию нуклеиновых кислот и катионов магния в зрелом зерне [9, 10, 20, 21]. Это событие в методологии способствовало созданию фундамента для развития новой главы в молекулярной физиологии сельскохозяйственных растений, так как новые шаги в методологии, как правило, ведут за собой длинную цепь новых фактов, которые дополняют и изменяют научное мировоззрение, предоставляют принципиально новые возможности для практики. Молекулярные маркеры ДНК-овые, белковые являются чрезвычайно эффективным инструментом генетических исследований растений. Однако их статичность не позволяет количественно оценить важнейшие свойства культурных злаков например, стрессоустойчивость и фотопериодизм.
Как познание электричества и развитие электротехники стало возможным только с появлением электродинамики на основе электростатики, так и статичные молекулярные маркеры должны быть существенно дополнены молекулярно-кинетическими маркерами, способными количественно оценить экспрессию основных регуляторных генов или дать интегральную характеристику всех экспрессирующихся генов определенного генотипа в конкретных условиях роста. С практической точки зрения очень важным представляется использование этого показателя количество катионов магния для долгоживущей высокополимерной РНК зрелого зерна пшеницы в целях оценки степени морозостойкости сорта: чем выше содержание катионов магния, тем ниже морозостойкость сорта [11, 12, 21]. РНК-интерференция В настоящее время многие проблемы практики решаются путём активного вмешательства в метаболизм живых организмов при помощи методов генной инженерии на основе явления РНК-интерференции, регулирующего экспрессию генов через усиление распада мРНК определённых генов [8, 16, 17, 18, 25]. Сейчас очевидно, что перестало быть проблемой установление первичной структуры гена, но всё ещё остаётся проблема, как узнать его функцию и как ею управлять. Первое десятилетие ХХ1 века ознаменовано стремительным прорывом в важнейшую биологическую проблему -регуляцию экспрессии генов с помощью явления РНК-интерференции и основанных на этом явлении методов "нокаутов" - техники, позволяющей выводить из строя экспрессию заранее выбранного гена, а затем смотреть, как это скажется на организме. В 1998 году была обнаружена способность молекул двухцепочечных РНК дцРНК , инъецированных в организм нематоды Caenorhabditis elegans, эффективно подавлять экспрессию гомологичных по нуклеотидной последовательности генов явление РНК-интерференции. Впоследствии те же эффекты дцРНК были отмечены у других животных, а также у растений, грибов и простейших. В 2006 году Нобелевская премия в области биологии по физиологии и медицине присуждена американским учёным Эндрю Файру и Крейгу Меллоу за открытие явления РНК - интерференции, представляющей собой молекулярный механизм, контролирующий в живой клетке поток генетической информации через закономерный распад специфических мРНК и предоставляющий принципиально новые возможности регуляции экспрессии генов в практических целях [39-40].
Суть явления, механизм которого пока изучен очень слабо, состоит в том, что короткие 20-30 нуклеотидов двуспиральные РНК определённой структуры вызывают распад мРНК мишени - гена, экспрессию которого необходимо подавить. Это широко распространённое в природе явление по-видимому, от бактерий до млекопитающих может эффективно использоваться для идентификации новых генов, выяснения их функциональной роли и управления их экспрессией in vitro и in vivo[8, 16, 25]. Исследования этого явления позволяют в настоящее время решать проблемы медицины новый класс лекарств и сельского хозяйства новые пути создания зерна злаков с высокими питательными свойствами. Работы по созданию высоколизиновых злаков на основе ряда мутаций, зерно которых отличалось повышенной питательной ценностью, потерпели неудачу. Это объясняется плейотропным действием мутаций типа мутации регуляторного гена opaque-2 в зерне кукурузы, когда дифференциальный распад мРНК под действием повышенной активности РНКаз приводит с одной стороны к положительным эффектам повышенное содержание в зерне незаменимой аминокислоты - лизина , но с другой стороны к отрицательным эффектам - нарушение синтеза крахмала, определяющего физические свойства зерна прочность и урожай [16, 25]. РНК-интерференция позволяет целенаправленно уничтожать мРНК, белки которых снижают содержание лизина в зерне запасные белки, ферменты катаболизма аминокислот , не «задевая» при этом мРНК ферментов, ответственных за синтез крахмала. Такой первый трансгенный сорт кукурузы ЬУБ38 с повышенным содержанием лизина был выведен на рынок в 2005 году [33]. Однако негативное общественное мнение, озабоченность возможным вредным влиянием генно-модифицированных продуктов на здоровье человека сдерживает развитие этого направления выхода в практику.
К тому же оказалось, что РНК-препараты слишком токсичны. Даже длины в 20-30 нуклеотидов недостаточно для полной селективности по отношению к целевой РНК, и среди миллиардов пар нуклеотидов в геноме обязательно найдутся другие мишени, связывание с которыми вызывает неприятные побочные эффекты. Так в медицине те немногие препараты на основе РНК-интерференции, что дошли до рынка, были с него отозваны. Возможно, в будущем проблемы с неспецифичным связыванием РНК и недостаточной адресной доставкой будут решены и мы увидим больше модифицированных растений и животных, а также специфических препаратов на основе РНК-интерференции. Принципиально новые, удивительные факты были получены китайскими исследователями из Нанкинского университета, которые обследовали 50 добровольцев и обнаружили в их крови и тканях микроРНК РНК-интерференции растительного происхождения. Это и само по себе стало изрядной неожиданностью, поскольку до сих пор считалось, что все растительные ДНК и РНК, попадающие в организм человека с пищей, полностью разлагаются, разрушаются в процессе переваривания. Но еще большее удивление вызвал тот факт, что эти растительные микроРНК участвуют в регуляции метаболизма человека наравне с его собственными микроРНК. Это открытие заставляет совершенно по-новому взглянуть на роль питания в жизни человека: существует шесть классов питательных веществ - белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества и вода.
Однако теперь выясняется, что еще и растительные микроРНК, судя по всему, оказывают на активность наших генов, а значит, и на наш обмен веществ, самое непосредственное воздействие. Это дает основание считать их седьмым классом питательных веществ. Весьма обильно эти молекулы присутствуют в рисе. Опыты на трансгенных мышах показали, что в организме человека MIR168a блокирует синтез чрезвычайно важного белка - так называемого клеточного рецептора липопротеинов низкой плотности. Этот белок самым непосредственным образом связан с транспортировкой холестерина и его расщеплением в печени. Таким образом, потребление риса в пищу не только обеспечивает организм человека пластическими веществами и энергией, но и регулирует активность одного из важных генов, влияя тем самым на обмен веществ и на здоровье человека. Ведь повышенный уровень содержания в крови липопротеинов низкой плотности увеличивает риск атеросклероза [43]. Как растительные микроРНК умудряются уцелеть в пищеварительном тракте человека и проникнуть оттуда в кровь, пока неясно.
Возможно, что эти растительные микроРНК могут захватываться клетками эндотелия сосудов кишечной стенки. При этом мембраны эндотелиальных клеток формируют особые внеклеточные структуры, в которые, как в оболочку, заключаются микроРНК. В таких миниатюрных пузырьках, называемых экзосомами, микроРНК поступают в кровоток. Это открытие позволяет по-новому объяснить лечебные свойства лекарственных трав, широко применяемых в традиционной китайской медицине. Собственно, идея использовать микроРНК в качестве биологически активного компонента лекарств обсуждается в фармацевтике уже давно. Но до сих пор все эксперименты упирались в одну неразрешимую проблему: как доставить микроРНК точно и целенаправленно в нужное место в организме. Исследования китайских учёных показали, что природа уже давно предусмотрительно создала такие пути и что функция пищи, очевидно, не сводится к одному лишь обеспечению организма пластическими веществами и энергией. В качестве центрального звена этого процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов.
Исследования магний-зависимого самораспада РНК в водных растворах позволяют говорить о развитии молекулярно-кинетических маркёров, позволяющих количественно оценивать эффект взаимодействия «генотип-среда» у растений и животных. Изучение системы РНК-интерференции и её применения находится на самой ранней стадии, но этому открытию суждено сыграть в постгеномную эру такую же ключевую роль, какую открытие рестриктаз сыграло в эпоху возникновения генной инженерии и биотехнологии. Безусловно, трудностей на этом пути много. Но, ни одна не выглядит непреодолимой. Литература 1 Алексеенко Ж. Кубанский агроуниверситет. Возникновение жизни, Мир, 1969, 391 с. Вначале была РНК?
Гетерогенность свойств основных РНК-компонентов белоксинтезирующей системы клетки в связи с биологическими особенностями зерновых культур. Гетерогенность свойств РНК зерновых культур. Евгений Витальевич Ананьев 1947-2008. Письма в Вавиловский журнал. Когда, где и в каких условиях мог возникнуть и эволюционировать мир РНК? Издание на русском языке. Nobel lecture. Nobel Lecture.
Вначале "первородство" отдавали белкам, так как считалось, что без них вообще ничего не может появиться. Ведь одна ДНК сама по себе ничего не сделает. Что касается РНК, то ее вообще не замечали. Это стало мировой сенсацией, изменившей многие представления в генетике. Затем была открыта новая грань РНК: она может работать вместо белков. Пусть медленней, пусть не так точно, но, тем не менее, она на это способна. А дальше - больше.
Цепочку химических реакций, приведших к такому результату, и описали немецкие ученые. Они, вероятно, были занесены на раннюю Землю кометами. Из них уже сформировались простые аминопиримидины, которые вступили в реакцию с муравьиной кислотой и образовали амидопиримидины. Они в свою очередь в реакции с сахарами и образовали пурины в больших количествах.
Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
Хотя гипотеза мира РНК восторжествовала, некоторые ученые были с ней не согласны. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. А раз так, то верна гипотеза о том, что РНК должны была возникнуть на Земле раньше, чем ДНК.
Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
Одна из научных гипотез предполагает, что первоначально на Земле существовали несвязанные молекулы РНК, возможно, вместе с белками и другими органическими веществами. Одной из главных теорий является гипотеза "РНК-мира", согласно которой первые формы жизни возникли благодаря РНК-репликазе, способной копировать себя и другие молекулы РНК. Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории.
РНК у истоков жизни?
Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения. Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК. В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. Полагаю, что и гипотезу «Мир-РНК», которая по принципу «на безрыбье и рак рыба» пока атеистам кажется убедительной, ждет такое же будущее. В обзоре рассматривается развитие исследований необычных свойств РНК, интенсивно начавшиеся в самом начале 80-ых годов XX века, что привело к формированию концепции «Мир РНК».