ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира.
Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
| Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК | В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок. |
| Мир – РНК — Студопедия | Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. |
| Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК | Результаты исследования, которое фактически доказывает гипотезу существования РНК-мира, опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). |
| Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий | Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира. |
Ученые нашли новые доказательства РНК-мира
Исследователи разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК, лишенные ферментативной активности. В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении. Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом.
Тогда возник вопрос, каким образом некоторые синтетические мРНК, например поли-У, которые, конечно, не содержат таких кодонов, ухитряются как-то заставлять рибосомы синтезировать полипептиды? Вероятно, это происходит по ошибке - из-за того, что рибосомы ведут себя «не по инструкции». Следовательно - ирония судьбы!
Каковы же те обстоятельства, которые приводят к тому, что эти системы совершают «нужные» ошибки? Один из факторов был вскоре найден. Им оказалась высокая концентрация магния в бесклеточных системах. Каким образом магний инициирует синтез? На этот вопрос нет однозначного ответа [25]. О различии молекулярных механизмов формирования морозоутойчивости озимой мягкой пшеницы и озимого ячменя Итак, концентрация магния. Установлено, чем больше содержится магния в рРНК, тем активнее синтезируют белок полифенилаланин рибосомы зародышей пшеницы в бесклеточной системе синтеза белка in vitro на искусственной матрице поли-У [42].
Вполне возможно, что концентрация катионов магния в клетке определяет интенсивность синтеза «ошибочных» полипептидов, предположительно расширяющих адаптационные свойства организмов [19, 20, 21, 25]. Вероятно, этим можно объяснить факт сортоспецифического усиления in vitro трансляционной активности полисом из проростков пшеницы и ячменя под влиянием закаливающей температуры [16, 25], тогда как в этих условиях длина поли-А-хвоста мРНК энхансера трансляции у пшеницы увеличивалась, а у ячменя сокращалась [2, 16]. Но ячмень содержит гораздо больше катионов магния по сравнению с пшеницей [12], что, возможно, и определяло увеличение трансляционной активности рибосом ячменя. Следовательно, увеличение трансляционной активности полирибосом может происходить как за счёт увеличения длины поли-А-хвоста мРНК как энхансера трансляции пшеница , так и за счёт увеличения содержания катионов магния в рРНК ячмень. Можно полагать, что озимый ячмень формирует морозоустойчивость на основе более древнего молекулярного механизма - адаптационного усиление трансляционной активности за счет вариации в содержании магния в рРНК [11, 13, 22]. Но озимая мягкая пшеница реагирует на закаливающие температуры сортоспецифическим усилением полиаденилирования мРНК [2, 16, 23]. Этот молекулярный механизм, вероятно, более поздний и является более прогрессивным по сравнению с вариациями содержания магния в рРНК.
Отсюда, возможно, и более высокая морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы по сравнению с озимым ячменём. Таким образом, есть основания полагать, что повышение морозостойкости сорта озимой мягкой пшеницы сопровождается стабилизацией мРНК и дестабилизацией рРНК. Предполагается, что стабилизация рРНК определяется укреплением молекулы за счёт катионов магния, в тоже время весьма вероятно, что катионы магния стимулируют укорочение терминальной поли-А-последовательности, определяющей стабильность и трансляционную активность мРНК, через усиление прочности определённых структур мРНК, определяющих скорость её деаденилирования. Эта принципиально важная гипотеза требует детальной экспериментальной проверки. Об особенностях молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 «Генотип должен превалировать над средой». Вавилов Одним из часто встречающихся, довольно досадным моментом при работе с РНК является их деградация в процессе хранения или манипулирования, даже в случае хорошо очищенных препаратов. Обычно это связывают с наличием РНКаз, занесенных с посудой и реактивами или попавших в препараты РНК в процессе выделения.
Однако было показано, что применение мощного ингибитора РНКаз - диэтилпирокарбоната во время выделения РНК с последующей усиленной депротеинизацией полученных препаратов и использование растворов, реактивов и посуды, обработанной диэтилпирокарбонатом и протеиназой К, не приводит к полному предотвращению деградации РНК. Известно, что если все работы проводить с очищенным препаратом РНК при температуре 0-4оС, то указанной деградации не наблюдается. В 90-е годы ХХ века было показано тождество закономерностей Mg-зависимого распада мРНК в живой клетке in vivo и в водных растворах in vitro [15, 16, 41]. На протяжении последних сорока лет многие исследователи отмечали способность выделенной из клетки РНК разрушаться в присутствии катионов металлов [15]. Но от внимания исследователей ускользал тот факт, что разрушение происходит по тем же законам, что и в живой клетке, отражая генетические особенности и физиологическое состояние организма. В фундаментальных науках всегда имел значение объект исследования. Удачность выбора объекта или случай определяет скорость и эффективность исследований, обширность и глубину полученной информации.
Как показали исследования, норма реакции на закаливающие температуры у сорта Безостая 1 на молекулярном уровне относительно узка по всем компонентам белоксинтезирующей системы - от амплитуды изменения трансляционной активности полирибосом, длины поли- А -хвоста мРНК, стабильности мРНК до амплитуды колебаний электрофоретического спектра рРНК [16, 23]. 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.
Полимераза синтезирует hammerhead голубой на матрице, и вся конструкция захватывается на магнитные шарики со стрептавидином. Если hammerhead успешно синтезирован а в нем есть участок, крайне чувствительный к ошибкам , он вносит разрез в оранжевый участок, полимераза высвобождается, подвергается обратной транскрипции и ПЦР-амплификации; затем с помощью транскрипции синтезируются дочерние молекулы полимеразы, и цикл повторяется. Десятки раундов эволюции в этой системе улучшили свойства РНК-полимеразы, существенно сократили время получение полноразмерного продукта.
Однако точность синтеза РНК оставалась недостаточно высокой, и лишь незначительная доля молекул лигазы, которые они синтезировали, обладала каталитической активностью. Авторы отмечали, что понадобится более строгий отбор, чтобы получить РНК-полимеразы с высокой точностью, которые смогли бы синтезировать более длинные молекулы. В новой работе Джойс и соавторы получили РНК-полимеразы, способные синтезировать целую молекулу РНК-лигазы с достаточно низким уровнем ошибок. Стратегия эволюции, которая использовалась в эксперименте, аналогична вышеописанной. В этот раз РНК-полимераза синтезировала на матрице РНК-лигазу, а затем подвергалась обратной транскрипции, причем оставалась связанной со своим продуктом.
Если РНК-лигаза, которую синтезировал данный вариант РНК-полимеразы, была функциональна, то она сшивала разрыв, и вся конструкция могла быть выделена с помощью бусин со стрептавидином.
Любимая Богом Профи 591 11 лет назад по ссылке: «Если эволюционное развитие рибосомных белков и РНК, а также взаимодействий между ними шло постепенно, шаг за шагом, рибосома не может быть продуктом РНК-мира. Вместо этого она должна быть продуктом мира рибонуклеопротеидов, древнего мира, который напоминает наш собственный.
РНК у истоков жизни?
| Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК" | Сегодня Зоя Андреева рассматривает гипотезу РНК-мира, необязательно верную, но способную свергнуть центральную догму. |
| 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. |
| Ученые нашли новые доказательства РНК-мира - Москва NEWS | ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира. |
Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира
Пост автора «Хайтек+» в Дзене: Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира» Эволюция, по определению Дарвина, это наследование с модификациями. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и. Полагаю, что и гипотезу «Мир-РНК», которая по принципу «на безрыбье и рак рыба» пока атеистам кажется убедительной, ждет такое же будущее. Согласно гипотезе РНК-мира, молекула РНК играла ключевую роль в молекулярных процессах и биохимических реакциях, которые привели к появлению жизни на Земле. Новости Российского национального комитета мирового нефтяного совета.
Содержание
- Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
- Обнаружены новые доказательства РНК-мира – Новости
- Гипотеза «мира РНК» и происхождение жизни | Блог Genotek
- Решена главная проблема появления жизни на Земле
Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира
Новости о недвижимости, экономики и финансах в России. (Различные аспекты гипотезы мира РНК и подтверждающие ее данные основательно рассмотрены в одноименной книге, вышедшей в 2010 г. в 4-м издании: Atkins et al., 2010.). Пост автора «Хайтек+» в Дзене: Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира» Эволюция, по определению Дарвина, это наследование с модификациями. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории провели исследования, которые проливают свет на гипотезу РНК-мира. Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь.
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
Но, если наука занимается только вещами, движущимися в пространстве, находящимися в природе, тогда такие отрасли науки, как психология или социология не имеют права называться науками, потому что их предмет не может быть проверен в лабораторных стеклянных пробирках. С другой стороны, если психология и социология суть науки, то на каком основании не признаются науками этика и религия, оперирующие в области морали, нравственности, души и духа? Если наука признает чудом все, что выходит за рамки естественных объяснений и ответов, то подобных необъяснимых в природе явлений — бесконечное множество. Если наука отказывается признать все эти феномены, феноменами, а пытается выдать их за «чудеса природы», «рефлексы мозга», «наследственность», «чрезмерно развитые физические инстинкты» и прочее, то тем хуже для науки.
Ибо этим своим действием она лишает себя права называться подлинной наукой, призванной объяснять научным путем феномены Макрокосмоса и Микрокосмоса. Каждый факт в природе может быть связан с тайнами, которые трудно раскрыть, но мы не имеем права отрицать того или иного факта на том лишь основании, что его загадочность, нами еще не объяснена. Мы не представляем себе, например, чтобы разумный человек способен был отрицать электричество или магнетизм только потому, что нам непонятна их таинственная сущность.
Истинная наука должна признать тот факт, что многие вещи могут быть реальными, истинными, хотя они и не могут быть судимы по анализам и результатам. Созерцая Божий чудеса в Мирозданье, мы не можем сказать, что они противоречат законам природы, но в тоже время мы убеждаемся и в том, что они в рамки законов природы не укладываются. Если бы чудо подлежало естественным законам, то оно перестало бы рассматриваться чудом.
Чудо не подчинено никакому закону и правилу. Чудо является исключением из общего правила.
Забытой, как в связи с переносом возникновения жизни на два миллиарда лет ранее предполагавшихся Опариным сроков, так и в связи с выносящей мозг экстравагантностью. Ведь, в рамках гипотезы порядок развития события оказывался обратным, как казалось,естественному: протоклетка в виде парящей в воде капельки, впитывающей одни вещества и отторгающей другие, растущей благодаря этому и «размножающейся» делением, возникает раньше явления автокатализа и, соответственно, наследственности. В новой редакции концепция Опарина получила название «гипотезы мира полиароматических углеводородов». Проверка а ранее не стяжавшая популярности гипотеза толком и не проверялась, не считая экспериментов самого автора внезапно показала, что этих ваших способных образовывать коацерватные капли полиароматических углеводородов в этом вашем космосе чуть больше, чем…много. Пятая часть углерода в составе туманностей входит в данные соединения. На молодой Земле они не могли представлять редкости.
И в водном растворе вышеуказанные капли действительно обладают свойством накапливать нужные для синтеза РНК реагенты. Предполагается, таким образом, что возникнув внутри капелек, автокаталитические молекулы прошли длительный путь развития, совершенствуясь, образуя «колонии», пополняя и облагораживая микроскопическую среду обитания продуктами реакций, катализ которых они учились осуществлять. И клетка появилась как результат постепенного замещения абиогенных цитоплазмы и мембраны биогенными уже аналогами.
Исследование, опубликованное в журнале eLife, представляет собой модель, которая имитирует случайное разрушение простых РНК-молекул. В ходе экспериментов возникали короткие цепочки РНК, способные служить затравками для синтеза более длинных молекул. Этот процесс приводил к формированию большого количества копий исходного полимера, подобно процессу регенерации у червей, разделенных на части. В дополнение к этому, ученые разработали вторую модель, в которой добавляли способные к самообразованию рибозимы к пулу РНК-цепочек.
Любимая Богом Профи 591 цель обойти Создателя оправдывает средства.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
Согласно гипотезе «РНК-мира», когда первая такая молекула появилась на планете, она служила и материалом генетического хранения, и функциональным элементом для катализации химических реакций, а ДНК и белки развились намного позже. Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов. Эта работа подрывает так называемую «гипотезу мира РНК», которая утверждает, что РНК сформировала основу биосферы Земли задолго до того, как появились ДНК и другие молекулы, важные для жизни, хотя доказательств этого было недостаточно. Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле были представлены РНК-молекулами, способными к самовоспроизведению без участия белковых ферментов. Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле были представлены РНК-молекулами, способными к самовоспроизведению без участия белковых ферментов.
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
Возникают вопросы: могла ли эта реакция осуществляться без участия белков, только с помощью РНК? В общем-то, после открытия рибозимов такие потенциальные способности РНК уже не вызывали особых сомнений. Но наука требует, чтобы гипотезы экспериментально подтверждались. Дарвиновская Эволюция в Пробирке Хороший метод зачастую позволяет осуществить революцию в науке. Именно так можно сказать о методе полимеразной цепной реакции ПЦР , который позволяет размножать нуклеиновые кислоты в неограниченных количествах. Кратко опишем суть метода. Затем, при охлаждении, с ними связываются праймеры, образуя короткие фрагменты спиральных структур. В результате реакции из одной двуцепочечной ДНК получается две. Если повторить процесс, получится четыре цепочки, а после n повторений — 2nмолекул ДНК. Все очень просто.
Изобретение ПЦР и разработка методов химического синтеза ДНК позволили создать потрясающую технологию молекулярной селекции. Принцип молекулярной селекции тоже прост: сначала синтезируется множество молекул, обладающих разными свойствами так называемая молекулярная библиотека , а затем из этой смеси отбираются молекулы с желаемым свойством. Библиотеки нуклеиновых кислот — это смеси молекул, имеющих одинаковую длину, но отличающихся последовательностью нуклеотидов. Поскольку обычно используются участки длиной 30—60 мономеров, то в результате синтеза получается от 430 до 460 разных молекул! Цифры, привычные разве что для астрономов. В результате получается библиотека уже одноцепочечных РНК. РНК, способную связывать определенные молекулы. С последних же можно считывать искомые РНК-аптамеры, а затем — размножать их методом ПЦР в неограниченных количествах. Конечно, так происходит в идеальном случае, на практике все получается сложнее.
Обычно исходный препарат РНК содержит огромный избыток «по-сторонних» молекул, избавиться от которого трудно. С помощью такого метода были получены тысячи разных РНК-аптамеров, которые образуют специфические комплексы с различными органическими соединениями и молекулами. Рассмотренная схема молекулярной селекции может быть применена для получения молекул с любыми свойствами. Делайте Ваш Заказ! Метод молекулярной селекции обладает очень большими возможностями. С его помощью можно решать задачи поиска нужных молекул даже в том случае, если исходно нет идеи, как такие молекулы должны быть устроены. Однако, если придумать процедуру отбора, их можно выделить по принципу требуемых свойств, а затем уже заняться и вопросом, как эти свойства достигаются. Продемонстрируем это на примере выделения РНК, способных связываться с клеточными мембранами и модулировать их проницаемость. Древние рибоциты должны были поглощать «питательные» вещества из окружающей среды, удалять продукты метаболизма и делиться в ходе размножения.
И все эти процессы требуют управления проницаемостью мембран. Поскольку мы полагаем, что никаких других функциональных молекул, кроме РНК, в рибоцитах не было, какие-то РНК обязательно должны были взаимодействовать с мембранами. Однако с химической точки зрения они совершенно не подходят для роли регуляторов проницаемости мембран. Мембраны современных клеток и липосом, построенные из жирных кислот, несут отрицательный заряд. Поскольку РНК также заряжены отрицательно, то по закону Кулона они должны отталкиваться от липидной поверхности и тем более не могут проникать в глубь липидного слоя. Эти положительно заряженные ионы могут играть роль мостиков, располагаясь между отрицательно заряженными группами на поверхности мембраны и фосфатными группами нуклеиновой кислоты. Так маленькие враги привязали Гулливера к земле множеством тоненьких веревок.
В начале 1980-х годов Чех и его коллеги по Университету Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм Tetrahymena thermophila. Часть ее клеточного механизма включает цепи РНК. Чех обнаружил, что отдельный сегмент РНК каким-то образом оказался отделен от остальных, словно его вырезали ножницами. Когда ученые убрали все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать молекулярными ножницами, РНК продолжала выделываться. Так они нашли первый фермент РНК: короткий участок РНК, который способен вырезать себя из длинной цепи, частью которой является. Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая группа ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент. Обнаружение двух ферментов РНК одного за другим указывало на то, что их должно быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начала выглядеть солидно. Как грудной имплантат сохранил жизнь женщины Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт также стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека. Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую деятельность, необходимую для сборки самих себя в бульон нуклеотидов». Наконец, они нашли способ создавать белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни, которую мы имеем. Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна за всех» молекула могла сделать всю работу. В 2000 году гипотеза «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств. Рибосома делает белки Томас Стейц провели 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру рибосомы. Рибосома есть в каждой живой клетке. Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, чтобы сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую часть вашего тела. Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК была каталитическим ядром рибосомы. Это было важно, так как рибосома фундаментально важна для жизни и при этом очень древняя. Но с тех пор ученые начали сомневаться. С самого начала у идеи «мира РНК» было две проблемы. Могла ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? Могла ли она образоваться на ранней Земле? Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли твердых доказательств, что РНК может выполнять все, что от нее требует теория. Это маленькая умелая молекула, но она может не уметь всего. Как он-лайн вечеринки меняют нашу жизнь. Личный опыт Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была быть способна делать копии себя: она должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся. Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Поэтому в конце 1980-х годов несколько ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно. Джек Шостак Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, кто принял в этом участие. В детстве он был так очарован химией, что завел лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка. В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха. Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли. Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел фермент РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты РНК могут быть по-настоящему мощными. Но их фермент не мог копировать себя, даже чуточку. Шостак оказался в тупике. Возможно, жизнь началась не с РНК Следующий крупный шаг осуществил в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Другими словами, он добавлял не случайные нуклеотиды: он правильно копировал последовательность. Пока это был еще не саморепликатор, но уже что-то похожее. Была надежда, что несколько настроек позволят ему построить цепь длиной в 189 нуклеотидов — как и он сам. Лучшее, что удалось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. В 2009 году они создали фермент РНК, который размножается косвенно. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента. Затем объединяет другие два кусочка РНК, чтобы воссоздать исходный фермент. При наличии сырья этот простой цикл можно продолжать до бесконечности. Но ферменты работали только тогда, когда им давали правильные цепочки РНК, которые приходилось делать Джойсу и Линкольну. Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, по всей видимости, просто не может взять и начать жизнь. Также проблему усугубила неудача химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая молекула по сравнению с ДНК, но сделать ее чрезвычайно трудно. Это животное остается беременным всю жизнь без перерыва Проблема лежит в сахаре и основании, которые составляют каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них по отдельности, но они упорно отказываются связываться. К началу 1990-х годов эта проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, что гипотеза «мира РНК», несмотря на всю привлекательность, может быть не совсем верной. Вместо этого, возможно, на ранней Земле был какой-то другой тип молекулы: что-то проще, чем РНК, которая на самом деле могла собрать себя из первичного бульона и начать самовоспроизводиться. Это была по существу сильно модифицированная версия ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Непонятным образом с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота. ПНК никогда не встречали в природе. Но ведет она себя практически как ДНК. Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к РНК-миру, он подозревал, что ПНК была куда более вероятным кандидатом на первый генетический материал. В 2000 году он произвел несколько уверенных доказательств. К тому времени ему уже стукнуло 70 и он пережил несколько инсультов, которые могли отправить его в дом престарелых, но не сдался. Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду — и получил полиамидную основу ПНК. Молекула треозо-нуклеиновой кислоты Другие химики придумали собственные альтернативные нуклеиновые кислоты. Это та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Более того, ТНК может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту, которая может формировать спиральные структуры. У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники. Но никаких следов их в природе не найти, поэтому если первая жизнь действительно использовала их, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но никаких доказательств нет. В итоге к середине 2000-х годов сторонники мира РНК оказались в затруднительном положении. С одной стороны, РНК-ферменты существовали и включали одну из важнейших частей биологической инженерии, рибосому. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, что они существовали в природе. Не очень хорошо. Очевидный вывод был таким: «мир РНК», несмотря на свою привлекательность, оказался мифом. Между тем с 1980-х годов постепенно набирала обороты другая теория. Вместо этого она началась с механизма использования энергии. Жизни нужна энергия, чтобы оставаться живой Часть четвертая: энергия протонов Во второй главе мы узнали, как ученые разделились на три школы мысли, размышляя об истоках жизни. Одна группа была убеждена, что жизнь началась с молекулы РНК, но не смогла показать, как РНК или подобные молекулы могли спонтанно образоваться на ранней Земле, а затем наделать копий самих себя. На первых порах их усилия воодушевляли, но в конечном итоге осталось только разочарование. Тем не менее другие исследователи происхождения жизни, которые двигались иными путями, пришли к кое-каким результатам. Теория «мира РНК» опирается на простую идею: самое важное, что может сделать живой организм, это воспроизвести себя. Многие биологи с этим согласились бы. От бактерий до голубых китов, все живые существа стремятся завести потомство. Тем не менее многие исследователи происхождения жизни не считают воспроизводство чем-то фундаментальным. Перед тем как организм сможет размножаться, говорят они, он должен стать самодостаточным. Он должен поддерживать себя в живом состоянии. В конце концов, вы не сможете иметь детей, если сначала умрете. Мы поддерживаем себя в живых, поглощая пищу; зеленые растения делают это путем извлечения энергии из солнечного света. На первый взгляд, человек, поедающий сочный стейк, сильно отличается от поросшего листвой дуба, но если разобраться, они оба нуждаются в энергии. Этот процесс называется метаболизм. Сначала вам нужно получить энергию; допустим, из богатых энергией химических веществ вроде сахара. Затем вы должны использовать эту энергию, чтобы построить что-нибудь полезное вроде клеток. Этот процесс использования энергии настолько важный, что многие исследователи считают его первым, с которого началась жизнь. Вулканическая вода горячая и богата минералами Как могли бы выглядеть эти предназначенные только для метаболизма организмы? Одно из самых интересных предположений было выдвинуто в конце 1980-х годов Гюнтер Вахтершаузер. Он не был штатным ученым, скорее патентным юристом с небольшими познаниями в химии. Вахтершаузер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знали». Они не были сделаны из клеток. Нет, вместо этого Вахтершаузер представил поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Эта вода богата вулканическими газами вроде аммиака и содержит следы минералов из сердца вулкана. Там, где вода текла через скалы, начинали происходить химические реакции. В частности, металлы из воды помогали простым органическим соединениям сливаться в более крупные. Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество превращается в ряд других химических веществ, пока в конце концов не будет воссоздан исходник. В процессе этого вся система накапливает энергию, которая может быть использована для перезапуска цикла — и для других вещей. Инопланетная жизнь может обитать рядом с белыми карликами Все остальное, из чего состоит современный организм — ДНК, клетки, мозги — появились позже, поверх этих химических циклов. Эти метаболические циклы вообще мало похожи на жизнь. Вахтершаузер назвал свое изобретение «прекурсорами организмов» и написал, что «едва ли их можно назвать живыми». Но метаболические циклы вроде тех, что описал Вахтершаузер, лежат в основе всего живого. Ваши клетки — это по сути микроскопические химические заводики, постоянно перегоняющие одни вещества в другие. Метаболические циклы нельзя назвать жизнью, но они имеют основополагающее значение для нее. В течение 1980-х и 1990-х годов Вахтершаузер работал над деталями своей теории. Он изложил, какие минералы подошли бы больше всего и какие химические циклы могли иметь место. Его идеи начали привлекать сторонников. Но все это было сугубо теоретическим. Вахтершаузеру нужно было реальное открытие, которое подкрепило бы его идеи. К счастью, его уже сделали десятью годами ранее. Источники в Тихом океане В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон погрузилась на 2,5 километра в восточной части Тихого океана. Они изучали Галапагосские горячие источники в местах, где с морского дна поднимались высокие хребты. Эти хребты были вулканически активными. Корлисс обнаружил, что эти хребты были буквально усеяны горячими источниками. Горячая, обогащенная химическими веществами вода поднимается из-под морского дна и струится через отверстия в скалах. Невероятно, но эти гидротермальные источники были густо населены странными животными. Там были огромные моллюски, мидии и кольчатые черви. Вода также была густо пропитана бактериями. Все эти организмы жили на энергии гидротермальных жерл. Открытие этих источников сделало Корлиссу имя. И заставило задуматься. В 1981 году он предположил, что подобные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они стали местом происхождения жизни. Он посвятил львиную долю своей карьеры изучению этого вопроса. У гидротермальных источников живет странная жизнь Корлисс предположил, что гидротермальные источники могли создавать коктейли химических веществ. Каждый источник, говорил он, был своего рода распылителем первичного бульона. По мере того, как горячая вода текла через скалы, тепло и давление приводили к тому, что простые органические соединения сливались в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начинали связываться в цепочки — формировать углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК. Затем, когда вода подходила к океану и остывала еще больше, эти молекулы собирались в простые клетки. Это было интересно, теория привлекла внимание людей. Но Стэнли Миллер, эксперимент которого мы обсуждали в первой части, не поверил. В 1988 году он писал, что глубоководные жерла были слишком горячими. Каким образом человек смог повторно заразиться коронавирусом? Хотя сильное тепло может привести к образованию химических веществ вроде аминокислот, эксперименты Миллера показали, что оно также может и уничтожить их. Основные соединения вроде сахаров «смогли бы выжить пару секунд, не больше». Более того, эти простые молекулы вряд ли связались бы в цепи, поскольку окружающая вода мгновенно их разорвала бы. На этом этапе к битве подключился геолог Майк Расселл. Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Более того, ему показалось, что эти источники будут идеальным домом для прекурсоров организма Вахтершаузера. Это вдохновение привело его к созданию одной из самых широко признанных теорий происхождений жизни. Геолог Майкл Расселл В карьере Расселла было много интересных вещей — он делал аспирин, разыскивая ценные минералы — и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал реагирование на возможное извержения вулкана, несмотря на отсутствие подготовки. Но его больше интересовало, как менялась поверхности Земли на протяжении эпох. Эта геологическая перспектива и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни. В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного типа гидротермального источника, в котором температуры не превышали 150 градусов по Цельсию. Эти мягкие температуры, по его словам, могли позволить молекулам жизни жить дольше, чем полагал Миллер. Более того, ископаемые остатки этих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал пирит, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, что пирит также может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур. Железный пирит Примерно в это же время Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был поток горячей химически обогащенной воды, протекающей через минералы. Он даже предположил, что в этом процессе участвовал пирит. Расселл сложил два плюс два. Он предположил, что гидротермальные источники на глубине моря, достаточно холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря — и сначала появился метаболизм. Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера. Она не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, но была, возможно, более важной. Расселл объединил две, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса — в нечто по-настоящему убедительное. Расселл даже предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. То есть он понял, как мог бы работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки. Питер Митчелл, нобелевский лауреат В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти в отставку из Университета Эдинбурга. Вместо этого он создал частную лабораторию в отдаленном поместье в Корнуолле. Изолированный от научного общества, он финансировал свою работу за счет стада молочных коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы обсудили во второй части, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми. Спустя несколько десятков лет Митчелла ждала абсолютная победа: Нобелевская премия по химии 1978 года. Он не стал знаменитым, но его идеи сегодня в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, что организмы делают с энергией, которую получают из пищи. По сути, он задавался вопросом, как всем нам удается оставаться в живых каждую секунду. Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате АТФ. К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем запирается в АТФ. Может ли искусственный интеллект уничтожить человечество уже к 2035 году? Когда клетка нуждается в энергии — например, когда сокращается мышца — она разбивает третий фосфат в АТФ.
Полимеры могли спариваться и образовывать молекулы типа рибозима, способные к саморасщеплению. Этот процесс приводил к самовоспроизводству энзимов. Репликация полимера происходила за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что поддерживало процесс размножения. Возможно, древние полимеры зависели от таких циклов для своего размножения. Дополнительно, неорганические поверхности, такие как камни, могли способствовать этому процессу. Эти открытия выявляют новые механизмы, которые могли способствовать зарождению жизни на Земле и поддержанию процессов самовоспроизводства.
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. Мир РНК породил идею, что если вы каким-то образом синтезируете РНК, которая может реплицировать и катализировать реакции, все остальное автоматически следует. Часть проблемы заключается в том, что молекулы РНК образуют стабильные структуры, называемые дуплексами.