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». Это новое исследование ставит под сомнение гипотезу мира РНК, которая предполагает, что самовоспроизводящиеся молекулы РНК были предшественниками всех современных форм жизни на Земле. Ученые из Института биологических исследований Солка провели исследования, подтверждающие гипотезу о мире РНК. Гипотеза не объясняла, как РНК начали соединяться с белками.
РНК у истоков жизни?
Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. (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.). Гипотеза РНК-мира заключается в том, что первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, которые могли инициировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов.
Ненаучно: Самозарождение
- Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков
- Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
- Содержание
- Гипотеза мира РНК
Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира
| Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать | РНК постепенно превратилась в постоянно совершенствующийся катализатор связывания аминокислот Эта связь между РНК и пептидами или белками сохранилась и по сей день Таким образом, мир РНК-пептидов решает проблему курицы и яйца». |
| Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира | 01.04.2024 | NVL | Суть гипотезы РНК-мира заключается в том, что первые формы жизни на Земле могли состоять из РНК-молекул, способных к самовоспроизведению без помощи белковых ферментов. |
Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК
В 1968 году химик Лесли Орджел опубликовал статью, в которой описал возможность существования жизни на Земле исключительно в виде рибонуклеиновых кислот, которые были способны передавать информацию безо всяких белков. Впоследствии эту идеи развили другие ученые. Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. Ученые многие годы ищут ответ на вопрос, могут ли РНК быть предшественниками жизни в известном нам виде.
Исследование специалистов из США преподносит новые доказательства в поддержку гипотезы «РНК-мира» — существования жизни до появления белков и ДНК, в виде рибонуклеиновых кислот.
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. Если одна из цепочек обладает петлей шпилькой , то возможно образование молекулы РНК, которая действует как рибозим типа hammerhead, способный осуществлять собственное расщепление. В дальнейшем начинается самовоcпроизводство этого энзима в соответствии с первой моделью.
Более того, эта интронная последовательность обладает рибонуклеазной активностью, то есть она способна связываться с субстратной РНК и специфично разрезать её. Такие свойства рибонуклеиновому интрону придаёт его способность к образованию сложных трёхмерных структур. Однако платой за высокую лабильность РНК служит её склонность к быстрой деградации. Здесь мы и сталкиваемся с первой трудностью концепции РНК-мира. Как молекула может служить надёжным хранилищем генетической информации, если время её жизни мало? У млекопитающих время жизни мРНК в клетках составляет от нескольких минут до нескольких часов, максимум дней. У бактерий и вовсе, мРНК «живёт» от нескольких секунд до часа с небольшим. Согласитесь, недолго для надёжного хранилища информации! Тем более, в пребиотических условиях, агрессивная среда которых мало способствовала стабильности молекул. Это противоречие способны разрешить некоторые предположения. Считается, что первые РНК могли размножаться в микрополостях во льду. Возможно, это связано с тем, что при подобных температурах увеличивается концентрация РНК и понижается активность воды. Однако вероятная сложность здесь заключается в том, что РНК при низких температурах обретают повышенную склонность к образованию водородных связей между комплементарным нуклеотидами, что ведёт к образованию межмолекулярных комплексов и снижению каталитической активности [2]. Фосфодиэфирные связи между нуклеотидами наиболее стабильны при рН, лежащих в пределах 4—5. Выше упоминалось, что молекулы РНК наиболее стабильны в кислой среде. В этих условиях цитозин и аденозин протонируются, тем самым обретая дополнительный положительный заряд, что снижает потребность в катионах. РНК является весьма сложной молекулой, и вероятность её внезапного возникновения из отдельных атомов или фрагментов крайне низка. Действительно, сложно себе представить, как могли соединиться вместе азотистое основание, рибоза и фосфат, образовав нуклеотид. Однако Санчез, Оргел, Паунер и Сазердэнд показали возможность синтеза пиримидинов из молекул, вероятно, имевшихся в пребиотических условиях Земли [3]. Также важно понять, каким образом осуществлялась полимеризация первых нуклеотидов в полимерные цепочки. Относительна недавно была обнаружена важная роль различных минералов и ионов металлов в катализе при образовании биополимеров [4]. Более того, монтмориллонит способен образовывать везикулы из простых жирных кислот [4]. Таким образом, этот минерал, с одной стороны, способствует полимеризации нуклеотидов, а с другой — образованию мембранных структур. Гипотетически, существует множество вариантов соединения рибонуклеотидов друг с другом через различные атомы рибозы. Зачастую каталитической активностью обладают лишь длинные цепочки РНК. Это один из основных объектов критики теории РНК-мира, ибо случайное возникновение длинных последовательностей, способных выполнять биохимическую работу, весьма маловероятно. Одна из лучших рибозимных репликаз, созданных на сегодня, способна реплицировать до 95 нуклеотидов [6] , однако сама она при этом имеет длину в 190 нуклеотидов см. Длина этой последовательности слишком велика для спонтанного возникновения в пребиотических условиях. Исследования in vitro показывают, что для выделения молекул, способных к катализу, требуется около 1013—1014 молекул РНК [2] — довольно много для того, чтобы столь длинный рибозим мог появиться в готовом виде. Однако открытие коротких рибозимов ставит под сомнение идею того, что для появления РНК-катлизаторов требуются астрономические количества молекул. В самом деле, получены полирибонуклеотиды c активными дуплексами, способными к самовырезанию, имеющие длину лишь 7 остатков [2]. Более того, были получены данные, что даже рибозим, урезанный всего лишь до пяти нуклеотидов, сохранял свои ферментативные способности [2]. Но каталитическая активность у минирибозимов значительно ниже, чем у их более длинных «собратьев». Из этого следует, что короткие рибозимы могли быть эволюционными предшественниками длинных. Рибозимные репликазы Для того, чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах рибозимы с таким видом активности не обнаружены, однако подобные молекулы были созданы искусственно. Молекулярные биологи из Великобритании обратили внимание на ранее известный рибозим R18, обладающий полимеразной активностью [6]. Он и стал объектом эксперимента: путём искусственной эволюции и разумного планирования из исходного рибозима были получены четыре новые молекулы с улучшенными каталитическими свойствами [7]. Дело в том, что исходный рибозим R18 обозначен на картинке буквой А был способен реплицировать лишь фрагменты РНК длиной до 20 нуклеотидов. Также им могла быть реплицирована далеко не каждая последовательность РНК, а лишь узкий круг определённых матриц [7]. Учёные пошли двумя путями: в одной серии экспериментов они пытались увеличить число оснований РНК, реплицируемых рибозимом. В результате были получены четыре новых рибозима с улучшенными свойствами.
Оказалось, что короткие цепочки РНК, действуя как праймеры, могут приводить к образованию большого количества копий разрушенного полимера, аналогично процессу регенерации червей. Добавление спонтанно образованных рибозимов к полимерным цепочкам также оказало влияние на процесс самовоспроизводства этих структур. Источник фото: Фото редакции Репликация полимера осуществлялась через циклическое изменение температуры между горячей и холодной фазами, что напоминает циклы день-ночь.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Согласно гипотезе РНК-мира, первые репликаторы структуры, способные к размножению на Земле представляли собой РНК-молекулы, способные катализировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. Однако было не ясно, как такая молекула может возникнуть из предшественников, не способных к каталитической активности. Оказалось, что рибозим, который способен расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно, поскольку для обеспечения его функции необходимы только несколько консервативных оснований. Однако оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось в ходе биохимической эволюции.
Последний вздохУченые назвали срок гибели всего живого на Земле.
Это позволяет предположить, что древние РНК-полимеры могли использовать такие температурные циклы для своего размножения. Неорганические поверхности, например, камни, также могли играть важную роль в этом процессе, способствуя стабилизации и размножению РНК-молекул. Это открытие дает новые перспективы для понимания процессов, лежащих в основе зарождения жизни на нашей планете, и подчеркивает важность дальнейших исследований в области преобиотической химии и молекулярной биологии.
Однако все попытки получить в лаборатории версии, способные реплицировать крупные молекулы, оборачивались неудачей — они не обладали достаточной точностью. За многие поколения они накопили так много ошибок, что не походили на изначальные последовательности и полностью потеряли свою функциональность. Однако разработанная недавно в лаборатории Института Солка рибозома оказалась иной — она содержала ряд важных мутаций, позволяющих копировать последовательность РНК с куда большей точностью. Испытания показали, что полученная рибозома не только повторяет функции оригинальной, но и со временем у нее возникают новые вариации. Благодаря новым мутациям им стало легче реплицироваться, то есть они приобрели эволюционное преимущество. Нечто на уровне отдельных молекул могло поддержать дарвиновскую эволюцию, это могла быть какая-то искра, которая позволила жизни стать более сложной и развиться от молекул до клеток и многоклеточных организмов». Иногда, чтобы восстановиться после повреждений, молекулам РНК требуется химическая модификация. Один из таких процессов — трехэтапное лигирование или соединение двух цепочек РНК.
Источник фото: Фото редакции Другая модель включает спонтанно образующиеся рибозимы, которые при столкновениях разрезают полимерные цепочки, стимулируя их самовоспроизводство. Репликация происходила за счет циклического изменения температуры, что поддерживало процесс размножения, как в циклах день-ночь. Исследователи также отметили, что неорганические поверхности, вроде камней, могли способствовать этому процессу, что открывает новые горизонты в понимании начал биологической эволюции на Земле.
Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира
| Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК" | | 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. |
| Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК | В новом прорыве, который может кардинально изменить наше понимание происхождения жизни на Земле, исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили свидетельства гипотезы РНК-мира. |
| 22-M. «Мир РНК» . ПРОСТЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ТВОРЦА | В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок. |
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
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. В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы. Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира. В рамках своего проекта ученые поставили под сомнение достоверность гипотезы РНК-мира. Гипотеза мира РНК — Структура рибозима — молекулы РНК, выполняющей функцию катализа Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации. Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК.
РНК у истоков жизни?
Удивительно, что из четырех молекулярных оснований два были в форме, обнаруженной в ДНК, а два другие — в виде, существующем в РНК. 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. Стоит отметить, что ученые, не участвовавшие в исследовании, ставят под сомнение достоверность условий, созданных для исследования. Фрэнсис Уэстолл, директор группы экзобиологии в Центре молекулярной биофизики французского Национального центра научных исследований в Орлеане, отмечает, что формирование оснований требует очень специфических условий.
Эксперимент показал, что из таких разрывов возникали короткие цепочки РНК, действующие как праймеры для синтеза более длинных цепей РНК. Это приводило к образованию множества копий разрушенного полимера. Ученые сравнили это явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты. Ранее исследования показали, что социальный статус влияет на активность генов и передается от матери к детям.
Источник фото: Фото редакции Однако было установлено, что рибозим, способный расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно благодаря нескольким консервативным элементам.
Чтобы понять, как эта функция сохранилась в процессе эволюции, исследователи разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК. В результате образовывались короткие цепочки, которые действовали как затравки для синтеза более длинных молекул. Этот механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера.
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. Эти рибозимы способствовали расщеплению и спариванию РНК-цепочек, что в конечном итоге приводило к образованию молекул РНК, действующих как рибозимы типа "hammerhead", которые могли самовоспроизводиться.
Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили о новых доказательствах в пользу гипотезы РНК-мира. Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Чтобы гипотеза о мире РНК была достоверной, мы должны представить себе, что достаточно длинный предшественник РНК, способный к репликации, мог спонтанно появиться в пребиотическом супе.
Приобщаем к делу пептиды
- Гипотеза мира РНК -
- Обнаружены новые доказательства РНК-мира: Наука: Наука и техника:
- Из Википедии — свободной энциклопедии
- гипотеза "Мир-РНК"
- РНК-переключатели
Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира
Недавние исследования позволили ученым выяснить, что рибозим, обладающий способностью расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно вследствие нескольких консервативных оснований, необходимых для обеспечения его функционирования. Долгое время оставался вопрос о том, каким образом это свойство сохранялось в процессе биохимической эволюции. Путем разработки моделей исследователи выяснили, что случайные разрывы в простых молекулах РНК приводили к образованию коротких цепочек, действующих как праймеры для синтеза более длинных полимеров РНК. Такой неферментативный механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, аналогично регенерации червей, разрезанных на сегменты.
А уж потом, когда белки "выросли" по мере эволюционного накопления информации увеличилось негативное влияние шума при их репликации и возникла потребность более надежного хранения информации. Что, в принципе, можно достичь свертыванием в цепь. Но на эту роль РНК подходят более удачно, чем белки. И тогда в клетках может быть и возникли РНК-молекулы?
По-моему весьма логично. Хотелось бы услышать критику сторонников гипотезы первичности РНК-мира и услышать их аргументы. Понятно, что существенный аргумент гипотезы РНК-мира состоит в том, что эта гипотеза создает "простой" переходный мостик между абиогенной органикой и клетками. Что приближает задачу объяснения происхождения жизни.
Но, по-моему, гипотеза РНК-мира имеет существенный выше описанный недостаток.
Действительно, сложно себе представить, как могли соединиться вместе азотистое основание, рибоза и фосфат, образовав нуклеотид. Однако Санчез, Оргел, Паунер и Сазердэнд показали возможность синтеза пиримидинов из молекул, вероятно, имевшихся в пребиотических условиях Земли [3]. Также важно понять, каким образом осуществлялась полимеризация первых нуклеотидов в полимерные цепочки. Относительна недавно была обнаружена важная роль различных минералов и ионов металлов в катализе при образовании биополимеров [4].
Более того, монтмориллонит способен образовывать везикулы из простых жирных кислот [4]. Таким образом, этот минерал, с одной стороны, способствует полимеризации нуклеотидов, а с другой — образованию мембранных структур. Гипотетически, существует множество вариантов соединения рибонуклеотидов друг с другом через различные атомы рибозы. Зачастую каталитической активностью обладают лишь длинные цепочки РНК. Это один из основных объектов критики теории РНК-мира, ибо случайное возникновение длинных последовательностей, способных выполнять биохимическую работу, весьма маловероятно.
Одна из лучших рибозимных репликаз, созданных на сегодня, способна реплицировать до 95 нуклеотидов [6] , однако сама она при этом имеет длину в 190 нуклеотидов см. Длина этой последовательности слишком велика для спонтанного возникновения в пребиотических условиях. Исследования in vitro показывают, что для выделения молекул, способных к катализу, требуется около 1013—1014 молекул РНК [2] — довольно много для того, чтобы столь длинный рибозим мог появиться в готовом виде. Однако открытие коротких рибозимов ставит под сомнение идею того, что для появления РНК-катлизаторов требуются астрономические количества молекул. В самом деле, получены полирибонуклеотиды c активными дуплексами, способными к самовырезанию, имеющие длину лишь 7 остатков [2].
Более того, были получены данные, что даже рибозим, урезанный всего лишь до пяти нуклеотидов, сохранял свои ферментативные способности [2]. Но каталитическая активность у минирибозимов значительно ниже, чем у их более длинных «собратьев». Из этого следует, что короткие рибозимы могли быть эволюционными предшественниками длинных. Рибозимные репликазы Для того, чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах рибозимы с таким видом активности не обнаружены, однако подобные молекулы были созданы искусственно.
Молекулярные биологи из Великобритании обратили внимание на ранее известный рибозим R18, обладающий полимеразной активностью [6]. Он и стал объектом эксперимента: путём искусственной эволюции и разумного планирования из исходного рибозима были получены четыре новые молекулы с улучшенными каталитическими свойствами [7]. Дело в том, что исходный рибозим R18 обозначен на картинке буквой А был способен реплицировать лишь фрагменты РНК длиной до 20 нуклеотидов. Также им могла быть реплицирована далеко не каждая последовательность РНК, а лишь узкий круг определённых матриц [7]. Учёные пошли двумя путями: в одной серии экспериментов они пытались увеличить число оснований РНК, реплицируемых рибозимом.
В результате были получены четыре новых рибозима с улучшенными свойствами. Один из них — рибозим С19, который учёные смогли усовершенствовать далее. Так был получен ещё более эффективный рибозим tC19 на рисунке под буквой С. В другой серии экспериментов учёные смогли получить рибозим, чья полимеразная активность не так сильно зависела от нуклеотидной последовательности РНК-матриц [7]. В результате, полезные свойства рибозимов tC19 и Z удалось объединить в одном, названном tC19Z.
Данный рибозим способен копировать как довольно широкий круг матриц, так и достаточно длинные последовательности [7]. Интроны, способные вырезаться самостоятельно, были обнаружены в тирозиновой тРНК таких сложных организмов, как человек и цветковое двудольное растение Arabidopsis thaliana. Эти 12-ти и 20-ти нуклеотидные участки в клетке вырезаются путём сплайсинга с участием белков, однако этот интрон показал способность вырезать самого себя и без участия ферментов. РНК-переключатели Ограниченная каталитическая способность рибозимов часто становится ещё одним хлипким краеугольным камнем теории мира РНК. Критики теории считают, что тот минимум химических реакций, который необходим для осуществления метаболизма в мире РНК, не может быть обеспечен одними лишь рибозимами.
Подавляющее большинство РНК-катализаторов катализируют лишь разрыв и создание фософодиэфирных связей между нуклеотидами. Кажется, что молекулы РНК со своими четырьмя весьма схожими мономерами безнадёжно проигрывают в химическом разнообразии белкам, которые имеют в своём составе 20 аминокислот, весьма различных по свойствам. Однако не стоит забывать, что многие белковые ферменты для выполнения активной работы должны присоединить лиганды — кофакторы , — без которых ферментативная активность попросту исчезает. И здесь стоит вспомнить об РНК-перключателях или рибопереключателях англ. Что же это такое?
Как известно, информация об аминокислотной последовательности белка передаётся в рибосому через мРНК. В данном случае, помимо самого гена, транскрибируется участок впереди него, на котором и расположен рибоперключатель [8]. РНК-переключатель представляет собой участок мРНК, способный связывать молекулу строго определённого вещества.
Впоследствии эту идеи развили другие ученые. Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение.
Ненаучно: Самозарождение
- Почему РНК не хватало
- Содержание
- Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира
- Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют сгустки — коацерваты — которые могут держать другие вещества внутри. Он предположил, что коацерваты были первыми протоклетками. Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать сгустки или пленки в воде. Эти химические вещества известны в общем как липиды. Соответственно, гипотезу о том, что с них начала жизнь, назвали «липидным миром». Но просто сформировать сгустки недостаточно. Они должны быть стабильными, уметь делиться на «дочерние» сгустки и хоть немного контролировать, что проходит внутрь и выходи наружу — и все это без сложных белков, которые используют современные клетки для этих задач. Появилась задача собрать такие протоклетки из всего необходимого материала. Несмотря на множество попыток за много лет, Луизи так и не сделал ничего хоть мало-мальски убедительного.
И тогда, в 1994 году, он осмелился сделать дерзкое предположение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки. Как-то клетка все же появилась И вот, его гипотеза стала очень сложной и отошла от чистого подхода «сперва компартментализация». Но у Луизи были веские доводы. Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов.
Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части. Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз. Почти вся жизнь одноклеточная «Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак. Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему». В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира. Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей. Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками.
Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе. Везикулы — это простые контейнеры, состоящие из липидов Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент. Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки. Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так.
За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни. Кусок монтмориллонита Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают. Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой. Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита. Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК. Заходите в наш специальный Telegram-чат.
Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий. И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток. Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе. Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому. Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение. Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться.
Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя? Клетки делятся на два Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть. Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки. Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия.
Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки. В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука. Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать. Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток.
Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблему, похоже, решили. В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться. Но все равно протоклеткам многого недоставало. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться. В будущем мир ожидает спад рождаемости. Что это значит для человечества? Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться.
Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить. Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки. Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК. Первая клетка должна была вмещать химию жизни По сути все просто. Возьмите одну цепь РНК и набор свободных нуклеотидов. Затем, используя эти нуклеотиды, соберите вторую цепь РНК, комплементарную первой. Сделав это дважды, вы получите копию оригинальной «CGC», только окольным путем.
Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь создала копии своих генов. К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов. Больше ему сделать не удалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катажина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках. Они обнаружили, что для работы такой реакции нужен магний. Но магний уничтожил протоклетки. Впрочем было и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках.
В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться. Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. Протоклетки Шостака могут жить в сильном тепле Всего за десять лет исследований команде Шостака удалось совершить невероятное. Они создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они были похожи на первую жизнь. Как собаки понимают человеческий язык?
Еще они были весьма устойчивыми. В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. Следовательно, эти протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была переживать сильное тепло от постоянных ударов метеоритов. Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака идет вразрез с 40 годами исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу. Молекулы жизни ведут себя крайне сложно Это открывает путь к новому подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу. Он должен охватить все функции первой жизни сразу и одновременно. Эта гипотеза «сперва всё» уже насобирала достаточно свидетельств и может решить все проблемы существующих идей.
Часть шестая: великое объединение На протяжении второй половины 20-го века исследователи происхождения жизни работали каждые в своем лагере. Каждая группа настаивала на собственной версии развития событий и старалась уничтожить конкурирующие гипотезы. Такой подход был безусловно успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая перспективная идея о происхождении жизни в конечном счете наталкивалась на серьезную проблему. Так что некоторые исследователи сейчас пытаются найти более единый подход. Несколько лет назад эта идея получила мощный толчок, благодаря результату, поддерживающему устоявшуюся теорию «мира РНК». К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Они не могли сделать нуклеотиды, строительные блоки РНК, как если бы это происходило в условиях ранней Земли. Это и привело людей к мысли, что первая жизнь вовсе не была построена на РНК, как мы выяснили в третьей части.
Земля — единственное место, где есть жизнь. Пока Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х. Большинство научно-исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно генерировать новые работы, но LMB нет. Поэтому Сазерленд мог хорошенько обдумать, почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход. Его решение привело его к совершенно новой идее о происхождении жизни: все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно. Молекулы просто не той формы.
Поэтому Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества. В конечном счете его команда пришла к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. Эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания. Это был ослепительный успех, который сделал Сазерленду имя. Многие наблюдатели интерпретировали эти результаты как еще одно доказательство в пользу мира РНК. Но сам Сазерленд так не считал. Но Сазерленд говорит, что это безнадежно оптимистично. Он считает, что РНК принимала важное участие, но на ней все клином не сходилось.
Вместо этого он вдохновился одной из последних работ Шостака, которая как мы выяснили в пятой части совмещала РНК-мир «сперва воспроизводства» с идеями «сперва компартментализации» Пьера Луиджи Луизи. Сазерленд пошел еще дальше. Его подход представлял собой «сперва всё». Он хотел, чтобы цельная клетка собралась сама по себе с нуля. К этому его привела странная деталь в его синтезе нуклеотидов, которая сначала казалась случайной. Жизни нужна жирная смесь веществ Последним шагом в процессе Сазерленда было забросить фосфат в нуклеотид. Однако он выяснил, что лучше всего было включать фосфат в смесь с самого начала, поскольку он ускорял первые реакции. Казалось, что включение фосфата до того, как он понадобится на самом деле, было слегка «грязноватым» действием, но Сазерленд выяснил, что этот хаос — это хорошо.
И так он задумался о том, насколько беспорядочными должны быть смеси. Во времена ранней Земли должны были существовать десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Рецепт шлама? Но беспорядок может быть важным условием. Смеси, которые Стэнли Миллер приготовил в 1950-х годах, о которых мы говорили в первой части, были куда грязнее сазерлендовых. Они включали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в небольших количествах и сопровождались огромным количеством других, не биологических соединений». Что происходит с человеком после переедания? Сазерленд считал, что подход Миллера был недостаточно хорош.
Он был слишком грязным, поэтому хорошие химические вещества просто терялись в смеси. Поэтому Сазерленд вознамерился найти «химию Златовласки»: не слишком грязную, чтобы стать бесполезной, но и не слишком простую, чтобы быть ограниченной в возможностях. Получить достаточно сложную смесь — и все компоненты жизни смогут сформироваться одновременно и найти друг друга. Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он существовал годами, пока в нем не собрались нужные химические вещества. Затем, возможно, за какие-нибудь пару минут появилась первая клетка. Горстки химвеществ недостаточно для жизни Это может показаться совершенно неправдоподобным, словно заявления средневековых алхимиков. Но у Сазерленда только прибавляется доказательств.
В 2009 году он показал, что та же химия, которая позволила собрать два его нуклеотида РНК, также может создавать многие другие молекулы жизни. Очевидным следующим шагом было сделать больше нуклеотидов РНК. Пока этого сделать не удалось, но в 2010 году он собрал тесно связанные молекулы, которые потенциально могут превратиться в нуклеотиды. Точно так же, в 2013 году он сделал прекурсоры аминокислот. На этот раз ему пришлось добавить цианид меди, чтобы заставить реакцию протекать. Связанные с цианидом химические вещества оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд сделал с ними еще больше. Он показал, что в том же горшке с химическими веществами могут появиться и прекурсоры липидов, молекул, из которых состоят стенки клеток. Все эти реакции полагались на ультрафиолетовый свет, включали серу и медь как катализатор.
Жизни нужен настоящий рог изобилия химвеществ «Все строительные блоки вышли из общего ядра химических реакций», говорит Шостак. Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был в корне неверным. С тех пор, как стала очевидной сложность клетки, ученые начали работать с предположением, что первые клетки должны были собираться постепенно, по частям. Вслед за предложением Лесли Оргела о том, что сначала появилась РНК, ученые пытались «поставить одно перед другим, а потом как-то получить порядок», говорит Сазерленд. Но он думает, что лучше всего — сделать все и сразу. Шостак теперь подозревает, что большинство попыток сделать молекулы жизни и собрать их в живые клетки провалились по одной причине: эксперименты были слишком чистыми. На каких животных охотились собаки 1000 лет назад? Ученые использовали несколько химических веществ, которые были им интересны, и оставляли все прочие, которые тоже, вероятно, присутствовали на ранней Земле.
Но работа Сазерленда показала, что добавляя больше химических вещей в смесь, можно создать больше сложных явлений. Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался разместить фермент РНК в своих протоклетках. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембраны протоклеток. Решение оказалось на удивление простым. Вместо того чтобы делать везикулы из одной только жирной кислоты, их сделали из смеси обоих веществ. Новые, «грязные» везикулы справлялись с магнием и могли размещать работающие ферменты РНК. Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли включать беспорядок. В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаику» молекул, которая выглядит и ведет себя почти как чистая РНК.
Мы не знаем, существовали они на Земле или нет, но если да, то первые организмы вполне могли использовать и их. Это уже был не «мир РНК», а «мир вперемешку». Урок этих исследований в том, что сделать первую клетку может быть было не так сложно, как кажется. Да, клетки — сложные машины. Но оказывается, что они продолжают работать, хоть и не так хорошо, если их слепить небрежно, как снежок. Кажется, что такие неуклюжие клетки не имели шансов выжить на ранней Земле. Но у них практически не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, поэтому во многих отношениях жизни было проще, чем сейчас. В юности Землю постоянно бомбардировали метеориты Однако существует одна проблема, которую не смогли решить Сазерленд или Шостак, и это серьезная проблема.
Первый организм должен был иметь какой-то метаболизм, обмен веществ. С самого начала жизнь должна была получать энергию, либо умереть. В этом Сазерленд согласен с Майком Расселлом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий «сперва метаболизм» из четвертой части. Даже если Мартин и Расселл ошибаются на тему того, что жизнь началась у глубоководных источников, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них — значение металлов для рождения жизни. У этого фермента в центре металл В природе у многих ферментов есть атом металла в ядре. Зачастую это «активная» часть фермента; остальная часть молекулы выступает поддерживающей структурой. Первая жизнь не могла иметь таких сложных ферментов, поэтому почти наверняка использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.
Гюнтер Вахтершаузер подметил это, когда предположил, что жизнь образовалась на основе железного пирита. Аналогичным образом, Расселл подчеркивал, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут выступать в качестве катализаторов — и исследование Мартина выявило множество ферментов на основе железа у последнего универсального общего предка LUCA.
Возникновение клетки заслуживающее, впрочем, отдельного рассмотрения являлось очевидным и неизбежным результатом накопления молекулами генетической информации. Однако, РНК-мир обладал и крайне неприятной слабостью. Все вышеупомянутые чудеса происходили в пробирке. Смоделировать естественные условия, в которых все нужные вещества собрались бы в одном месте в необходимой для протекания реакции синтеза РНК концентрации, оказалось невозможно. Надежды, связываемые с «чёрными курильщиками» зарождение жизни в горячих ключах , не оправдывались.
Жирный налёт на внутренней поверхности жерл подводных гейзеров представлял собой нечто похожее… но, всё-таки, не то. Более того, обнаружилось, что часть необходимых реагентов в нём отсутствует в принципе, и попасть в эту среду никак не может, ибов воду поступает не из мантии планеты, а из атмосферы. Косвенно, РНК-мир находился и в противоречии свидетельствам палеонтологии. Если жизнь изначально возникла в глубинах, в перенасыщенных едкой химией горячих ключах, — то есть, в условиях экстремальных, то почему находки свидетельствуют об обратном?
Это неожиданное открытие принесло Чеху и Альтману Нобелевскую премию по химии в 1989 году. В 1990 году Ларри Голд и Джек Шостак разработали метод управления эволюцией РНК, чтобы выбрать те, которые проявляют каталитическую активность. С тех пор им удалось получить рибозимы, способные связывать нуклеотиды вместе, связывать аминокислоты с РНК, выполнять окислительно-восстановительные реакции , связываться с компонентами мембран и т. РНК также может вести себя как рибозим сокращение рибозы и фермента и катализировать определенные реакции, как и ферменты. Таким образом, с точки зрения воспроизводства, эта молекула выполняет две важные функции: хранение информации и катализ, необходимый для самовоспроизведения. Таким образом, рибосома является рибозимом в том смысле, что человек, ответственный за синтез белка, является не белком как это имеет место в подавляющем большинстве случаев катализа живой клетки , а его рибосомной РНК - даже. Эти рибозимы могут складываться в пространстве, открывая активный сайт для катализа, как и белки. Томас Чех указал, что РНК может быть первой реплицирующейся молекулой благодаря своим каталитическим и автокаталитическим свойствам: Структура РНК является основой богатства своих обязанностей, и , в частности , их способность катализировать в реакции химические рибозимы ; и наоборот, относительно жесткие правила спаривания между основаниями РНК позволяют транскрибировать цепь в ее негативе, а с помощью новой транскрипции сделать возможным дублирование оригинала. Следовательно, теоретически возможно, что на этой модели одной РНК достаточно для установления примитивного метаболизма. В рибозимы будучи в состоянии обеспечить как роль поддержки генетической информации и катализатора, что позволило преодолеть парадокс, предлагая , что РНК -единственный предшественника, который был предложен в 1986 году Уолтером Гилбертом , со-изобретателя секвенирования ДНК. РНК присутствуют в трех ветвях живого мира археи , прокариоты , эукариоты. Кроме них, можно найти большое количество РНКА , участвующие в таких функциях, как катализ, регуляция экспрессии генов, контроля, анти - вирусные защиты , гена вымирания , торможения белковых синтезов, геномные восстановления и т. Так обстоит дело с интерферирующими РНК , механизм которых некоторые исследователи квалифицируют как «универсальный». Интерпретация «самовоспроизводящегося» персонажа В результате этих исследований возник образ популяции взаимозависимых цепей РНК, воспроизводящихся в рамках своего рода химической экосистемы, и где каждая цепочка избирательно конкурирует в отношении своих собственных аллелей. Строго говоря, неправильно говорить о «саморепликации», поскольку цепь РНК, обладающая способностью катализировать репликацию РНК-зависимая РНК-полимераза , не делает это на самой цепи катализатора, а в лучшем случае. Нить полимеразы, агент репликации, отличается от цепи, которая является объектом той же самой репликации: даже когда эти две цепи похожи, они не перепутаны. Кроме того, эта «репликация» заключается во всех моделях получения комплементарной цепи данной цепи, а не непосредственно идентичной цепи. Только на второй стадии, когда комплементарная цепь реплицируется, фактически синтезируется цепь, идентичная полимеразе. Ни одна из предложенных моделей не предполагает, что полимераза в качестве агента предпочтительно реплицирует в качестве мишени цепи, которые идентичны самой себе. Присутствие полимеразы приводит к репликации всех цепей, присутствующих в растворе. В этих условиях, то селективное преимущество из аллели не состоит, в качестве агента в дублируя другие пряди более или менее быстро так как все выиграют от него , а скорее в качестве мишени в настоящее время дублированы более быстро.
Результаты эксперимента, в процессе которого отдельные РНК создали эволюционирующую систему, опубликованы в журнале Nature Communications. Читайте «Хайтек» в Исследователи из Токийского университета впервые создали молекулу РНК, которая реплицируется, диверсифицируется и усложняется в соответствии с дарвиновской эволюцией. 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.
Как в мир РНК пришли белки
Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения. Новости о недвижимости, экономики и финансах в России. В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок. Новости о недвижимости, экономики и финансах в России. Новости по тэгу. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК.