Гипотеза мира РНК — это гипотетический этап процесса зарождения и развития жизни на Земле, когда молекулы рибонуклеиновых кислот (РНК) выполняли две ключевых функции. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили о новых доказательствах в пользу гипотезы РНК-мира. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и. Летающие лисы. Подписаться. Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. Показать больше. 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».
Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира
| Как в мир РНК пришли белки | С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. |
| Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир | Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. |
| Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле | 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. |
Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации
Однако возникал вопрос, как такие активные молекулы могли возникнуть из неактивных предшественников? Исследователи предложили возможный путь, по которому набор пребиотических олигомеров коротких полимерных цепочек , несущих информацию, мог приобрести ранние каталитические функции, такие как специфическое расщепление. Используя компьютерное моделирование на основе структуры фермента РНК, они показали, что даже спонтанное, неферментативное расщепление может способствовать размножению олигомеров за счет образования коротких фрагментов, выступающих в роли затравок для дальнейшего роста.
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.
Чудо не нарушает правила или закона, но только свидетельствует об иных законах, высшего порядка, о которых мы иногда ничего не знаем или очень мало знаем. Чудо противоречит природе такой, какой мы ее знаем. Но нельзя сказать, что наше знание природы и некоторых ее законов предельно. Наше знание, каких бы высот оно ни достигало, всегда остается таким же несовершенным, ограниченным, как и мы сами.
Чтобы в этом разобраться, ученые разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В ходе эксперимента появились короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Из-за этого появлялось множество копий разрушенного полимера. Ученые сравнили такое явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты.
Для осуществления реакции, предложенной учеными, требуются цианамид на схеме обозначен цифрой 4 , цианоацетилен 3 , гликолевый альдегид 7 , глицеральдегид 6 и неорганический фосфат 2 — молекулы, нахождение которых на первобытной Земле оценивается как весьма вероятное. В начале процесса гликолевый альдегид реагирует с цианамидом, образуя промежуточное соединение — 2-аминооксазол 5. Периодический нагрев солнечными лучами и понижение температуры в ночной период позволяют произвести очистку 2-аминооксазола, превращая его в «заменитель» сахара и азотистого основания. Под воздействием УФ-излучения в присутствии неорганического фосфата процесс завершается образованием рибонуклеотида 1. Коллеги ученых по достоинству оценили результаты их работы.
Исследователи смешивают РНК и ДНК, чтобы изучить, как началась жизнь на Земле
Такой неферментативный механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, аналогично регенерации червей, разрезанных на сегменты. Вторая модель предполагала добавление рибозимов, способных к спонтанному образованию и катализированию расщепления, к пулу полимерных РНК-цепочек, которые разрезались при столкновении. Этот процесс позволял созданию молекул РНК, действующих как рибозимы типа hammerhead, способных к саморасщеплению, и, таким образом, начиналось их самовоспроизводство. Репликация полимера осуществлялась за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что может указывать на то, что древние полимеры могли зависеть от таких циклов для своего размножения.
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? Согласно летописи , жизнь очень долго и не охотно распространялась из идиллической среды тропических мелководий в условия даже чуть более суровые.
Данные затруднения и обусловили возврат к основательно забытой за последние полвека «коацерватной» гипотезе академика Опарина. 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».
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. Тут и помог исследователям метод молекулярной селекции. Из библиотеки РНК удалось выделить не-сколько молекул, которые очень успешно связывались с мембранами, а при достаточно высокой концентрации — даже разрывали их!
Эти РНК обладали необычными свойствами. Они как бы помогали друг другу: смесь молекул разных сортов связывалась с мембранами гораздо лучше, чем молекулы одного сорта. Все стало ясным после изучения вторичных структур этих РНК. Этот механизм мог использоваться и для удерживания эволюционирующих систем РНК в виде колоний на поверхностях еще до того, как эти системы обзавелись изолирующей мембраной.
Множество данных свидетельствует о том, что «мир РНК» действительно существовал. Правда, не совсем ясно — где. Некоторые специалисты полагают, что начальные этапы эволюции происходили не на Земле, что на Землю были занесены уже функционально активные системы, которые приспособились к местным условиям. Однако с химической и биологической точки зрения это не меняет сути дела.
В любом случае остается загадкой — в результате каких процессов в окружающей среде рибоциты образовались и за счет каких компонентов существовали. Ведь требуемые для жизни рибоцитов нуклеотиды — сложные молекулы. Трудно представить, что эти вещества могли образовываться в условиях пребиотического синтеза.
Если вы взглянете на коацерваты через микроскоп, они ведут себя весьма подвижно, как живые клетки. Они растут и меняют форму, иногда делятся на две части.
Они также могут вбирать химические вещества из окружающей воды, поэтому в них могут оказаться подобные жизни химвещества. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток. Пятью годами позже, в 1929 году, английский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн независимо предположил очень похожие идеи в короткой статье, опубликованной в Rationalist Annual. К тому времени Холдейн уже немало внес в теорию эволюции , помогая интегрировать идеи Дарвина в развивающуюся науку о генетике. Английский генетик Дж.
Холдейн Как и Опарин, Холдейн описал, каким образом органические вещества могли бы накапливаться в воде, «пока первобытные океаны не дошли бы до консистенции горячего разбавленного супа». Это подготовило бы почву для «первых живых или полуживых вещей», которые сформировались и оказались в тонкой масляной пленке. Показательно, что среди всех биологов мира только Опарин и Холдейн дошли до этого. Мысль о том, что живые организмы могут образоваться в процессе простых химических реакций, без бога или даже «жизненной силы», была радикальной. Как и теория эволюции Дарвина до нее, она тоже была плевком в лицо христианства.
Но в рамки СССР вписывалась отлично. Советский режим был официально атеистическим, а его лидеры с радостью поддерживали любые материалистические объяснения глубоких явлений вроде жизни. Холдейн тоже был атеистом и еще и коммунистом в придачу. В западном мире, если взглянуть на людей, которые мыслили в этом направлении, все они были левыми, коммунистами и так далее». Мысль о том, что жизнь сформировалась в первичном бульоне органических веществ, стала гипотезой Опарина-Холдейна.
Она была аккуратной и убедительной, но была одна проблема. Ее не поддерживали никакие экспериментальные доказательства. И так продолжалось почти четверть века. Гарольд Юри К тому времени, когда Гарольд Юри стал интересоваться происхождением жизни, он уже получил Нобелевскую премию по химии 1934 года и помог построить атомную бомбу. Во время Второй мировой войны Юри работал над Манхэттенским проектом, собирая нестабильный уран-235, необходимый для сердечника бомбы.
После войны он боролся, чтобы сохранить ядерные технологии под контролем граждан. Также он заинтересовался химией космоса, в частности тем, что происходило во времена формирования Солнечной системы. Однажды он прочитал лекцию и отметил, что в атмосфере Земли , вероятно, не было кислорода, когда она впервые сформировалась. Это стало идеальным дополнением к первичному бульону Опарина и Холдейна: хрупкие химические вещества могли быть уничтожены при контакте с кислородом. Докторант по имени Стэнли Миллер был в аудитории, а затем подошел к Юри с вопросом: можно ли проверить эту идею?
Юри был скептичен, но Миллер настоял на своем. Поэтому в 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент на тему происхождения жизни. Эксперимент Миллера-Юри Настройки были простыми. Миллер соединил серию стеклянных колб и пустил по ним четыре химических вещества, которые могли присутствовать на ранней Земле: кипящая вода, газообразный водород, аммиак и метан. Затем он подверг газы многократному воздействию электрического тока, чтобы имитировать удары молнии, которые были обычным явлением на Земле в те времена.
Миллер обнаружил, что «вода во флаконах стала значительно розовее после первого дня, а к концу недели раствор стал красным и мутным». Очевидно, образовалась смесь химических веществ. Что такое жизнь? Проанализировав смесь, Миллер обнаружил, что в ней есть две аминокислоты: глицин и аланин. Аминокислоты часто называют строительными блоками жизни.
Они используются для образования белков, которые управляют большинством биохимических процессов в наших телах. Миллер сделал два важнейших компонента жизни буквально с нуля. Результаты были опубликованы в престижном журнале Science в 1953 году. Юри поступил весьма необычно для старших ученых, сняв свое имя с работы и отдав все лавры Миллеру. Несмотря на это, исследование часто называют «экспериментом Миллера-Юри».
Стэнли Миллер в лаборатории «Сила Миллера-Юри в том, что вы можете произвести множество биологических молекул просто из атмосферы», говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания. Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли была другой смесью газов. Но это не меняет факта. Эксперимент удался, простимулировал воображение публики и разлетелся на цитаты. После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля.
Решение тайны происхождения жизни, казалось, вот-вот появится. Но потом выяснилось, что жизнь была сложнее, чем кто-либо думал. Живые клетки были не только мешками с химическими веществами: они были сложнейшими крошечными машинами. Внезапно создание клетки с нуля оказалось гораздо более сложной задачей, чем думали ученые. Часть вторая: раскол в рядах ученых Жизнь очень сложна.
К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь была подарком богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь на ранней Земле сформировалась стихийно и естественно — и благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи. Пока Миллер пытался сделать материал жизни с нуля, другие ученые выясняли, из каких генов она состояла. К тому времени многие биологические молекулы стали известны. Сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты вроде «дезоксирибонуклеиновой кислоты», или ДНК, если коротко.
Сегодня мы уже привыкли к тому, что ДНК переносит наши гены, но для биологов 1950-х годов это было шоком. Белки более сложные, поэтому ученые думали, что они являются генами. Есть ли жизнь в облаках Венеры? Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и которые должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они и выяснили, что в бактерию попадает вирусная ДНК, а белки остаются снаружи.
Очевидно, именно ДНК была генетическим материалом. Их открытие стало одним из величайших научных открытий 20 века. Оно также преобразило поиск происхождения жизни, раскрыв невероятную сложность, которая скрывалась внутри живых клеток. Два «полюса» лестницы выстраивались молекулами-нуклеотидами. Эта структура объяснила, каким образом клетки копируют свою ДНК.
Другими словами, она раскрыла, как родители делают копии своих генов и передают детям. Ключевой момент в том, что эту двойную спираль можно «распаковать». Это обнажает генетический код , состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, которые обычно заперты в ступеньках лесенки ДНК. Каждая цепочка затем используется как шаблон для воссоздания копии. С помощью этого механизма гены передавались от родителей к ребенку с самого начала жизни.
Ваши гены были переданы древней бактерией — и на каждом шагу копировались, используя механизм, обнаруженный Криком и Уотсоном. Крик и Уотсон изложили свои выводы в статье в Nature в 1953 году. Следующие несколько лет биохимики пытались выяснить точно, какую информацию переносит ДНК и как эта информация используется в живых клетках. Впервые сокровенные тайны жизни были выставлены напоказ. Оказалось, что ДНК делает только одну работу.
Ваша ДНК говорит клеткам, как делать белки: молекулы, которые выполняют важнейшие задачи. Без белков вы не могли бы переваривать пищу, ваше сердце остановилось бы и дышать было бы невозможно. Но процесс использования ДНК для создания белков оказался чрезвычайно запутанным. Это стало большой проблемой для любого, кто пытается объяснить происхождение жизни, поскольку трудно представить, как что-то настолько сложное вообще могло появиться само по себе. Каждый белок представляет собой длинную цепь аминокислот, соединенных в определенном порядке.
Последовательность этих аминокислот определяет трехмерную форму белка, а значит, и его назначение. Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому когда клетке нужно сделать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот. Но есть нюанс. ДНК очень ценная, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасности.
И, наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле под названием «рибосома». Этот процесс протекает в каждой живой клетке, даже у простейших бактерий. Он так же необходим для жизни, как еда и воздух. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица — ДНК, РНК и белок рибосомы — появилась и начала работать. Клетки могут быть невероятно сложными И внезапно идеи Опарина и Холдейна уже кажутся наивными и простыми, а эксперимент Миллера, который произвел несколько аминокислот, и вовсе дилетантским.
Его исследование было лишь первым шагом на длинной дороге. Что нам делать, чтобы найти органическую химию, которая будет делать все это за один раз? Первым человеком, который попытался прямо ответить на этот вопрос, стал английский химик Лесли Оргел. Оргел намеревался упростить задачу. В 1968 году, при поддержке Крика, он предположил, что первая жизнь не имела белков или ДНК.
Вместо этого она почти полностью была сделана из РНК. В таком случае первичным молекулам РНК приходилось быть особенно универсальными. С одной стороны, они должны были уметь создавать копии самих себя, по-видимому, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК. Идея того, что жизнь началась с РНК, оказала колоссальное влияние. И разразила научную войну, которая продолжается по сей день.
ДНК лежит в основе всех живых существ Предположив, что жизнь началась с РНК и кое-чего еще, Оргел по сути предположил, что один из важнейших аспектов жизни — ее способность воспроизводить себя — появился до всех остальных. В некотором смысле он предположил не только, как жизнь появилась: он предположил кое-что о самой сути жизни. Многие биологи согласны с идеей Оргела «сперва воспроизводство». В дарвиновской теории эволюции способность производить потомство находится в центре: это единственный способ для организма «выиграть» — оставить после себя детей. Но у жизни есть и другие функции, которые кажутся одинаково важными.
Самая очевидная — это метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания своей жизни. Для многих биологов метаболизм определяет первичную суть жизни, а воспроизводство уже потом. Поэтому начиная с 1960-х годов в рядах ученых, изучающих происхождение жизни, наблюдается раскол. Между тем третья группа поддерживает гипотезу о том, что сперва появился контейнер для ключевых молекул, который не позволял им расплываться. Другими словами, должна была быть клетка — как подчеркивали Опарин и Холдейн за несколько десятков лет до этого — возможно, закрытая мембраной из простых жиров и липидов.
Все три идеи приобрели сторонников и сохранились до наших дней. Ученые страстно поддерживали свои идеи, иногда даже совершенно слепо. Неразбериха в рядах ученых достигла апогея, а журналисты, сообщающие о результатах, одни часто говорили, что «другие ученые тупые» или еще хуже. Благодаря Оргелу, идея начала жизни с РНК освежила движение к разгадке. Затем наступили 1980-е, а вместе с ними произошло открытие, которое в значительное степени подтвердило идею Оргела.
РНК может быть ключом к началу жизни Часть третья: в поисках первого репликатора Эволюция важнее всего. Итак, после 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые из них были убеждены в том, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточились на важности генетики и репликации. Эта последняя группа начала выяснять, как мог бы выглядеть первый репликатор, подразумевая, что он был сделан из РНК.
Уже в 1960-е годы ученые имели основания полагать, что РНК была источником всей жизни. Это одноцепочечная молекула, поэтому, в отличие от жесткой, двухцепочечной ДНК, она может складывать себя в целый ряд различных форм. Похожая на оригами, складывающаяся РНК в целом напоминала по поведению белки. Белки тоже в основном представляют длинные цепи — только из аминокислот, а не нуклеотидов — и это позволяет им создавать сложные структуры. Это ключ к самой удивительной способности белков.
Некоторые из них могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Такие белки известны как ферменты. Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового. Множество ферментов можно найти у вас в кишках, где они разбивают сложные молекулы из пищи на простые типа сахаров, которые могут использовать ваши клетки.
Без ферментов жить было бы невозможно. Лесли Оргел и Фрэнсис Крик начали кое-что подозревать. Если РНК может складываться как белок, возможно, она может и образовывать ферменты? Если бы это было правдой, то РНК могла бы быть оригинальной — и универсальной — живой молекулой, хранящей информацию, как это делает сейчас ДНК, и катализирующей реакции, как это делают некоторые белки. Это была прекрасная идея, но за десять лет она не получила никаких доказательств.
Томас Чех, 2007 год Томас Чех родился и вырос в штате Айова. Еще ребенком он был очарован горными породами и минералами. И уже в младших классах средней школы он заглядывал в местный университет и стучался в двери геологов с просьбой показать модели минеральных структур. Однако, в конце концов, он стал биохимиком и сосредоточился на РНК. 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.
Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации
С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории провели исследования, которые проливают свет на гипотезу РНК-мира. Гипотеза мира РНК ставит РНК в центр внимания при зарождении жизни.
Тайна появления жизни на Земле
В работе 2020 года исследователи получили РНК-полимеразы класса I, способные синтезировать своего «предка» — РНК-лигазу класса I — в виде трех отдельных цепей, которые затем собирались в функциональный рибозим. На этом примере можно понять, как работает эволюция РНК in vitro. Один из этапов эволюции РНК-полимеразы класса I —рибозима, производящего рибозимы. Credit: PNAS, 2020. DOI: 10. На праймер отжигается матрица коричневый для синтеза участка РНК, превращающего шпильку с биотином в рибозим — молекулу РНК типа «головка молота» hammerhead , которая разрезает сама себя. 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.
В помощь антибиотикам Важнейшей проблемой современности является быстрая эволюция бактерий в направлении приобретения устойчивости к антибиотикам, приводящая к возрождению многих заболеваний человека. Профессор Йельского университета США Сидни Альтман, продолжая исследования в области каталитической способности РНК, стал разрабатывать способы борьбы с инфекционными заболеваниями антибактериальная и антималярийная терапия , используя каталитические способности конкретного РНК-фермента - рибонуклеазы Р. Конечная цель - создать препарат, который мог бы быть альтернативой в случае устойчивости инфекции к антибиотикам. На конкретных объектах исследований разрабатываются фундаментальные основы подходов, которые могли бы быть общими для лечения многих инфекционных заболеваний. В перспективе синтезировать определённые соединения, которые могут быть легко модифицированы для борьбы, как с бактериями, так и с малярией.
Это направление исследований представляет перспективную альтернативу применению в медицине антибиотиков, возможности которых стремительно тают. Сидни Альтман разрабатывает это важнейшее направление, в частности, совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН г. Новосибирск [6]. Как зарождались знания, составляющие основу практического применения теорий и методов молекулярной биологии РНК Лауреат Нобелевской премии за открытие рибозимных свойств РНК Сидни Альтман Олтмен, 1939 г. Заняться молекулярной биологией начинающему учёному Альтману посоветовал русский физик Георгий Гамов.
Он понял, что структуры белков, состоящих из 20 основных природных аминокислот - должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из простых арифметических соображений, Гамов показал, что при сочетании 4-ёх нуклеотидов тройками получается 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации. Таким образом, он был первым, кто предложил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов [17]. Практически генетический код позволил расшифровать метод бесклеточной системы синтеза белка in vitro. Первые результаты в этом направлении были получены в 1961 году, когда М.
Ниренберг и Х. Матеи синтезировали упрощённую форму мРНК, состоящую из одинаковых нуклеотидов и обнаружили, что в её присутствии происходит образование длинной цепи белковоподобной молекулы, состоящей из аминокислот одного-единственного вида. Искусственная мРНК представляла собой полинуклеотид поли-У, в котором все нуклеотиды содержали только одно основание - урацил. Когда поли-У добавляли к экстракту из клеток бактерии E. Так было обнаружено, что кодон УУУ соответствует фенилаланину.
Этот первый успех указал путь, следуя которому в скором времени удалось установить кодоны и для ряда других аминокислот; требовалось только перепробовать различные формы синтетических мРНК. 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].
Ученые разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В результате образовывались короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры для синтеза более длинных цепей. Этот механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, похожего на регенерацию червей. В другой модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, добавлялись к пулу полимерных цепей, которые затем разрезались при столкновении. Полимеры могли спариваться и образовывать молекулы типа рибозима, способные к саморасщеплению.
Этот процесс приводил к самовоспроизводству энзимов.
Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК" 26. Копирование других молекул РНК Прежде всего, рибонуклеиновая кислота РНК - это биологическая молекула, молекулярная структура которой очень похожа на структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты ДНК. Она состоит из одной спиральной цепи, по структуре схожей с одной из двух цепей, составляющих ДНК. По словам авторов исследования, этот прорыв, опубликованный в журнале PNAS 4 марта 2024 года, является выдающимся.
Однако стоит отметить, что молекула не является самовоспроизводящейся, как настоящая.
Копирование других молекул РНК
- Ненаучно: Самозарождение
- Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
- Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
- гипотеза "Мир-РНК"
- РНК у истоков жизни?
Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов. Гипотеза мира РНК утверждает, что первые жизненные формы могли появиться на основе РНК. Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами (рибозимами). гипотеза, с которой срослась проблема внезапного (для учёных особенно) возникновения жизни на совсем молодой, не оформившейся, подвергающейся. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и.
Решена главная проблема появления жизни на Земле
Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году. Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки. Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. Гипотеза РНК-мира заключается в том, что первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, которые могли инициировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и. Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии.
Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле
| Рибозим со свойствами РНК-полимеразы синтезировал функциональные молекулы РНК | Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. |
| Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков - Российская газета | В основном потому, что гипотеза мира РНК подкрепляется большим числом экспериментальных свидетельств, чем набрали её конкуренты. |
| Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК | Гипотеза о существовании мира РНК получила новую жизнь после исследований, продемонстрировавших то, что молекулы РНК проявляют более высокую каталитическую активность в условиях, сходных с теми, что существовали на Земле миллиарды лет назад. |
| РНК - мир. Сомнение в первичности. | Последние новости по теме рнк. Согласно гипотезе РНК-мира, молекула РНК играла ключевую роль в молекулярных процессах и биохимических реакциях, которые привели к появлению жизни на Земле. |
| Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира» Эволюция, по определению Дарвина… | Хайтек+ | Дзен | Гипотеза мира РНК — это гипотетический этап процесса зарождения и развития жизни на Земле, когда молекулы рибонуклеиновых кислот (РНК) выполняли две ключевых функции. |
Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира
Ученые разработали модели, имитирующие возможные пути эволюции предшественников РНК, лишенных каталитической активности. Одна из моделей демонстрирует, как случайные разрывы в молекулах РНК могут привести к образованию цепочек, действующих как затравки для синтеза более длинных цепей. Источник фото: Фото редакции Другая модель включает спонтанно образующиеся рибозимы, которые при столкновениях разрезают полимерные цепочки, стимулируя их самовоспроизводство.
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.
Эта книга в последствие неоднократно переиздавалась. Авторы, среди которых был и Чек, обсуждали на страницах объёмистого тома эволюционные аспекты зарождения катализа, специфичность и функции макромолекул. В начале 1990-ых годов ещё никто не мог предполагать взрыва интереса к РНК, и книга пользовалась интересом главным образом среди теоретиков. Теперь же совсем другое дело. Можно только поразиться провидческой способности редакторов первого издания, которые предпослали книге подзаголовок: "Природа современной РНК предполагает её пребиотичность" [16]. Новый взгляд на происхождение жизни на планете Земля Проблема происхождения жизни приобрела неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание учёных разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира. В конце 60-ых годов XX века известный английский учёный Джон Бернал в своей монографии «Возникновение жизни» 1967 писал: «Гипотеза Уотсона и Крика, предложенная ими в 1953 году, произвела полный переворот в биологии, да и, можно сказать, в науке вообще. Возможность приложения этой гипотезы к проблеме возникновения жизни очевидна, хотя и не осознаётся ещё должным образом даже её авторами.... Успехи, достигнутые молекулярной биологией, заставили нас пересмотреть многое из того, что прежде считалось очевидным... Лишь после работ Уотсона, Крика и Ниренберга, раскрывших всю сложность процесса белкового синтеза, нам стало ясно, что здесь мы имеем дело с тончайшим механизмом воспроизведения - воспроизведения не столько самих организмов, сколько составляющих его молекул» [3]. Однако до 80-ых годов XX века, ввиду отсутствия экспериментально мотивированного ответа на вопрос о том, как сформировались в эволюции системы декодирования генетической информации нуклеиновых кислот в структурные параметры белков, проблема возникновения организмов, одновременно обладавших каталитическим и генетическим аппаратом, казалось неразрешимой. Возможность решения этой проблемы открывалась, если предположить, что на начальных этапах эволюции обе функции могли быть объединены, в каком-либо одном классе биополимеров. Следует сказать, что, несмотря на экспериментальные свидетельства абиотической конденсации аминокислот в каталитически активные полимеры, неспособность полипептидов в отличие от полинуклеотидов реплицироваться с образованием комплементарных последовательностей не позволяла рассматривать белки в качестве хранителя и переносчика генетической информации. Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения репликации. Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции. Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков - соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы -структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, - появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков. Таким образом, имеется много достаточно веских теоретических доводов, чтобы считать молекулу РНК основоположницей жизни на Земле. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт, придумавший на основании идеи российских академиков Е. Свердлова и А. Мирзабекова, один из первых методов секвенирования ДНК, ввел в оборот выражение "мир РНК", имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни. Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: "фаворитом" стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить [4]. Плодотворной оказалась идея, высказанная К. Вузом и несколько позже Л. Оргелем и окончательно сформулированная В. Гилбертом уже в 80-е годы. Согласно этой идее наличие каталитической функции у полинуклеотидов могло привести к формированию своеобразного «мира РНК» как основы эволюции первичной биосферы. Представления о существовании мира РНК исходят из предположения, что именно полинуклеотиды составляют химическую основу древнейших организмов, то есть молекулы РНК функционировали как генетический материал и одновременно выполняли каталитические функции в присутствии генетически упорядоченных белков [30]. При наличии активированных аминокислот синтез пептидов не представляется трудной задачей. Активированные аминокислоты конденсируются даже в водных растворах с образованием коротких пептидов, а цепи длиной до 50 аминокислот образуются на минеральных поверхностях. Абстрактная схема биосинтеза белка в примитивных системах с участием каталитических РНК представлялась следующим образом. Примитивные РНК, аминоацилирующие сами себя активированными аминокислотами по аутокаталитическому механизму, могут выступать донорами и акцепторами аминокислот в реакциях переноса ацильных групп, катализируемых рибозимами [16]. Для признания РНК в качестве молекул, осуществляющих в примитивных системах синтез белков, показана возможность выполнение ими следующих функций: узнавание аминокислот, аминоацилирование тРНК, перенос ацильных групп, активация аминокислот и синтез пептидов. Рибозимы способны катализировать и некоторые другие химические реакции, характерные для обмена веществ. Сегодня развиваются представления о том, что каталитический потенциал примитивных РНК мог быть существенно расширен за счет присоединения к их молекулам коферментных групп [7]. Дальнейшие исследования этой же группы исследователей показали, что молекулы РНК при столкновении в водной среде могут спонтанно обмениваться частями, то есть, обладают способностью к неэнзиматической рекомбинации. Возможность легкого распространения молекул РНК через среду, в том числе атмосферную, также было продемонстрирована в прямых экспериментах [32, 36, 37]. В теоретическом отношении это открытие в контексте мировой научной концепции о рибозимах "РНК-мир" способствует возможности в корне пересмотреть теорию происхождения жизни на Земле. Смешанные колонии РНК на твёрдых или полутвёрдых носителях могли быть первыми эволюционизирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции репликацию молекул РНК всего ансамбля , а другие формировали необходимые для успешного существования структуры например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК. Эта коммунальная форма существования мира РНК должна была очень быстро эволюционировать. Что же стало с РНК после распада коммуны? Хотя коммуна распалась, мир РНК сохранился в каждой клетке каждого живого организма. В качестве центрального звена этого процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов, прежде всего рибосомной РНК, формирующей аппарат белкового синтеза, тРНК, доставляющей в рибосому активированные аминокислоты для построения полипептидных цепей белков, и мРНК, несущей в своей нуклеотидной последовательности программу для синтеза белка. Оказалось, что нкРНК выполняют множество функций с использованием не известных ранее механизмов: нкРНК участвуют в регуляции транскрипции генов, сплайсинге и регуляции деградации РНК. Они вовлечены в трансляцию и её регуляцию, в процессинг и модификацию рибосомной РНК, в защиту от вирусных инфекций и мутагенной активности мобильных генетических элементов, а также в ряд других процессов. РНК явно потеснили белки на пьедестале главных молекул, обеспечивающих жизнедеятельность клеток [16, 25]. Все рассмотренные аргументы подчёркивают важную, если не исключительную, роль РНК в происхождении жизни на земле. Исследования продолжаются. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов [27-29]. Необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения. Так как практически каждая наноколония происходит из одной матричной молекулы, с помощью наноколоний можно обнаружить и идентифировать одиночные молекулы ДНК и РНК, в том числе - с диагностическими целями. В настоящее время наноколонии применяются в нашей стране и за рубежом для различных научных и прикладных задач. Важнейшим направлением исследований является разработка ранней диагностики онколологических заболеваний. В России от разных видов рака умирает около 300 000 человек в год, что представляет большую демографическую, экономическую социальную проблему. Лечение осложняется тем, что у большинства больных болезнь диагностируется уже на поздних стадиях. С развитием экономики проблема может только усугубляться, так как частота онкологических заболеваний растёт по мере ухудшения экологической обстановки и увеличения продолжительности жизни населения. Эффективность лечения рака зависит от своевременности диагностики. Однако до сих пор проблема ранней диагностики рака не решена. Наноколонии РНК позволяют создать технологию молекулярной диагностики рака на стадии, когда его ещё невозможно обнаружить существующими методами.
Ученые разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В результате образовывались короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры для синтеза более длинных цепей. Этот механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, похожего на регенерацию червей. В другой модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, добавлялись к пулу полимерных цепей, которые затем разрезались при столкновении. Полимеры могли спариваться и образовывать молекулы типа рибозима, способные к саморасщеплению. Этот процесс приводил к самовоспроизводству энзимов.
Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков
Кроме того, процесс репликации сложен в реализации. Если скопированная РНК будет слишком точно соответствовать источнику, вариации, необходимые для эволюции согласно Чарльзу Дарвину, будут невозможны. Слишком несовершенная копия приведет к потере генетической информации и, следовательно, к генетической нестабильности. РНК-молот может делать "молекулярные разрезы", другими словами, изменять клетки, разрывая их химические связи. Таким образом, исследователи смогли обеспечить определенную точность в процессе репликации и достаточную стабильность последовательных копий.
Джек Шостак, экспериментируя с модифицированными рибозимами, сумел выделить катализатор, способный соединять друг с другом короткие цепочки нуклеотидов. При этом использовалась энергия трифосфатных химических групп — тех самых соединений, которые и сегодня обеспечивают энергией биохимические реакции. Это обстоятельство подтвердило идею, что рибозимы могут функционировать сходным образом с современными белковыми ферментами.
У ряда видов примитивных эукариот Tetrahymena thermophila и др. Такие интроны встречаются также в генах рРНК митохондрий, хлоропластов, дрожжей и грибов, однако они не выявлены в генах позвоночных животных. Изучение процессинга 26S рРНК тетрахимены аналог 28S рРНК высших эукариот , выполненное Чеком и сотрудниками, привело к открытию особого вида сплайсинга, осуществляемого без участия каких-либо белков и получившего название аутосплайсинг сплайсинг типа I. Таким образом была открыта аутокаталитическая функция РНК и положено начало изучению рибозимов. Таким образом в результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК. Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуется РНК длиной 376 нуклеотидов L-19 IVS , которая и представляет собой истинный РНК-фермент рибозим , обладающий каталитическими свойствами.
Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК. Схема аутосплайсинга у тетрахимены и процесс образования рибозима Оказалось также, что рибозим L-19 IVS помимо нуклеазной обладает invitro нуклеотидилтрансферазной полимеразной активностью и способен катализировать синтез олигонуклеотидов олиго-С. Это указывает на возможность аутокаталитической репликации РНК и является одним из важных свидетельств в пользу существования «мира РНК». В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности у тетрахимены это последовательность GGАGGG , называемые адапторными последовательностями, которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК. Детальные исследования природных РНК-ферментов послужили мощным стимулом к моделированию и синтезу рибозимов заданного строения. Такие рибозимы стали называть минизимами. Вскоре после открытия рибозимов Т.
Чеком в одной из своих работ Ф. Крик писал: «Эти эксперименты по каталитической РНК поддерживают гипотезу, что биохимия РНК предшествовала традиционной биохимии, основанной на нуклеиновых кислотах и белках». А Белозерский в 1957 году писал: «Нет никаких сомнений, что в процессе развития органического мира нуклеиновые кислоты играли значительную роль. Нам представляется, что возникновение рибонуклеотидов и затем РНК было первичным. ДНК возникла значительно позже и параллельно с усложнением функций и все большей дифференциацией протоплазмы». Теперь можно было предположить, что молекулы РНК могли бы обходиться не только без ДНК как генетического вещества, но и без белков для осуществления катализа важных синтетических и метаболических реакций. Идея древнего безбелкового мира РНК как возможного предшественника современной жизни на Земле была окончательно сформулирована в 1986 г.
В настоящее время гипотеза о том, что жизнь начиналась с молекул РНК и их ансамблей, является общепринятой. Таким образом, термин «мир РНК» широко используется теперь для обозначения древней, пребиотической ситуации на Земле, имевшей место около 4 млрд. Таким образом, согласно существующим представлениям, в древнем мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные вышеперечисленные функции. Однако вопрос о возникновении такого мира на Земле — один из самых трудных в науке о происхождении жизни. Можно предполагать, что первичные олигорибонуклеотиды возникали из абиогенно вне организма без участия ферментов образующихся монорибонуклеотидов или их активированных производных путем полимеризации на поверхностях глин и глиноподобных минералов. Возможно также, что был этап, предшествующий химической эволюции нуклеотидоподобных и олигонуклеотидоподобных соединений. В любом случае, появление олигорибонуклеотидов должно было быть отправной точкой появления мира РНК.
Однако для дальнейшего развития было необходимо, чтобы абиогенный синтез олигорибонуклеотидов, основанный на редких случайных событиях, был дополнен постоянным механизмом, который мог бы генерировать варианты этих олигомеров и удлинять их при сильной тенденции к их спонтанной химической и физической деструкции. Элонгация коротких олигорибонуклеотидов в полирибонуклеотиды представляется абсолютно необходимым условием для образования компактно свернутых структур со свойствами специфического узнавания лигандов и каталитическими активностями, а генерация вариантов в популяции абиогенных олиго- и полирибонуклеотидов требуется для того, чтобы дать возможности для случайного возникновения нужных функциональных, в том числе каталитических, активностей. В течение долгого времени не было предложено сколько-нибудь удовлетворительного решения этой проблемы. Около 10 лет назад А. Четвериным и сотрудниками был разработан метод молекулярного клонирования РНК: из единичных молекул РНК, помещенных на поверхность геля, содержащего катализатор репликации в данном случае вирусную РНК-зависимую РНК-полимеразу и рибонуклеозидтрифосфаты, оказалось возможным выращивать колонии молекул РНК, идентичных исходной молекуле. Позднее метод был применен для регистрации единичных событий, происходящих внутри популяции РНК в растворе, и была впервые экспериментально показана способность молекул РНК к спонтанной перестройке их нуклеотидных последовательностей в отсутствие каких-либо ферментов и рибозимов. Открытая спонтанная реакция характеризовалась следующими особенностями.
Во-вторых, эти перестройки не специфичны по отношению к последовательности и могут происходить в любом месте цепей. Скорость спонтанных перестроек невелика — одно событие в час на миллиард нуклеотидов; это означает, что 0. Появление достаточно длинных полирибонуклеотидов и генерация вариантов за счет спонтанных цис- и транс-перестроек должны были привести к случайному появлению рибозимов, и критическим этапом должно было стать возникновение в популяции РНК рибозима, катализирующего процесс комплементарной репликации РНК. Это — принципиальное условие для того, чтобы размножить — амплифицировать — единичные молекулы случайно возникших в популяции вариантов и сохранить их для эволюции. С появлением таких рибозимов — хотя бы одной молекулы на популяцию молекул РНК в каком-то небольшом водоеме — мир РНК обрел свою сущность как самосохраняющаяся и развивающаяся материя на древней Земле. Скорее всего это были мелкие водоемы и лужи «Дарвиновские пруды» , где могли концентрироваться абиогенно возникающие органические вещества; океанские просторы вовсе не годились для этого. Впрочем, как полагает большинство геологов и палеонтологов, в то время океаны на Земле, по-видимому, еще и не существовали.
Присутствие РНК-репликазной активности в водной среде РНК-содержащей лужи или пруда давало в результате эффект амплификации всех олиго- и полирибонуклсотидов этого водоема, то есть рост общей популяции молекул РНК. Однако на этом этапе еще не могло быть никакого отбора «лучших» и, стало быть, никакой биологической эволюции. Дело в том, что в таком случае эффективный РНК-реплицирующий рибозим, присутствующий в луже, одинаково хорошо должен был амплифицировать как редкие молекулы РНК, обладающие какими-либо полезными для популяции свойствами например, свойством адсорбировать из среды различные субстраты или катализировать синтез нужных веществ , так и основную массу неактивных, балластных молекул РНК. Чтобы естественный отбор начал работать, необходима была какая-то форма компартментализации, обособления отдельных ансамблей РНК, в которых рибозимы и их продукты удерживались бы вместе. Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга. Лучшие обособленные ансамбли РНК — первозданные особи — должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших. Четвериным и сотрудниками экспериментально показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других влажных твердых средах, если на этих средах им предоставлены условия для репликации.
Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях и могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции репликацию молекул РНК всего ансамбля , а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК. Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами — своим генетическим материалом. Таким путем могли образовываться смешанные колонии РНК с различными функциональными активностями. Такой ансамбль молекул РНК в виде смешанной колонии мог успешно существовать и расти, если он включал в себя лиганд-связывающие РНК для избирательной адсорбции и аккумуляции необходимых веществ из окружающей среды, набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза нуклеотидов и их активированных фосфорилированных производных, и рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии. Наиболее серьезным следствием компартментализации РНК в форме смешанных колоний было появление механизма естественного отбора: колонии с РНК, более активными и более подходящими друг другу функционально дополняющими друг друга , могли расти быстрее и тем самым «перерастать» другие колонии, вытеснять их. Таким образом, образование компартментализованных ансамблей функционально дополняющих друг друга РНК в качестве особей, способных расти и конкурировать друг с другом, представляется вероятным, даже в отсутствие окружающих их мембран или оболочек другого типа, и даже без четкой границы раздела. Заключение Таким образом мог возникнуть «мир РНК», где РНК выступает как самодостаточная молекула, сочетающая в себе генотип и фенотип одновременно и способная к эволюционному развитию благодаря рекомбинации и каталитическим способностям.
Ключевым ферментом этого мира должен быть фермент РНК-репликаза, способный осуществлять аутокаталитическую репликацию РНК. Существует несколько аргументов в пользу того, что РНК представляет собой первичную молекулу — носитель жизни. Известна способность РНК нести генетическую информацию. Это в полной мере свойственно ныне существующим РНК-содержащим вирусам. Доказано также, что вирусные РНК способны к рекомбинации, в которую могут вовлекаться как вирусные, так и клеточные РНК. Широко известны ставшие уже классическими результаты опытов Г. Урея и С.
Миллера, воспроизводящих первичную абиотическую среду Земли. Так, из газообразных веществ аммиака, углекислого газа, метана и водорода при воздействии электрического разряда и УФ-облучения можно получить элементарные соединения формальдегид, синильную кислоту, мочевину, отдельные аминокислоты и др. Сами нуклеотиды уже являются убиквистическими молекулами, способными существовать в виде различных жизненных форм коферментов, энергоносителей и др. Случайное объединение нуклеотидов в полимерные цепи имело решающее значение, ибо привело к возникновению матричных молекул, пригодных для комплементарного копирования.
Во второй модели к пулу РНК-цепочек, способных к спонтанному образованию рибозим, были добавлены ферменты, катализировавшие расщепление. Полимерные цепочки могли спариваться определенным образом, что приводило к образованию молекул РНК, способных к саморазрушению. Репликация полимера осуществлялась за счет циклического изменения температуры, что позволяет предположить, что древние полимеры могли размножаться при помощи циклов день-ночь. Неорганические поверхности, такие как камни, также могли способствовать этому процессу.
Ее противники указывали на то, что формирование рибонуклеотидов, при полимеризации которых образуется РНК, «традиционным» образом — из остатка фосфорной кислоты, сахара рибозы и азотистого основания — едва ли могло произойти в естественных условиях.
Английские исследователи доказали, что синтез рибонуклеотидов можно провести и другим путем, без участия рибозы и оснований. Для осуществления реакции, предложенной учеными, требуются цианамид на схеме обозначен цифрой 4 , цианоацетилен 3 , гликолевый альдегид 7 , глицеральдегид 6 и неорганический фосфат 2 — молекулы, нахождение которых на первобытной Земле оценивается как весьма вероятное. В начале процесса гликолевый альдегид реагирует с цианамидом, образуя промежуточное соединение — 2-аминооксазол 5. Периодический нагрев солнечными лучами и понижение температуры в ночной период позволяют произвести очистку 2-аминооксазола, превращая его в «заменитель» сахара и азотистого основания.
Появилась новая гипотеза возникновения ДНК и РНК
Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов. Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК. Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира.
Многообещающая, даже фундаментальная работа
- Ненаучно: Самозарождение
- Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
- Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле
- Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира | 01.04.2024 | Рязань.Лайф
- ПОДПИСАТЬСЯ НА РАССЫЛКУ
ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул
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». Одной из главных теорий является гипотеза "РНК-мира", согласно которой первые формы жизни возникли благодаря РНК-репликазе, способной копировать себя и другие молекулы РНК. Новые доказательства гипотезы РНК-мира: ученые обнаружили способ самовоспроизведения молекул без участия белков. Гипотеза о существовании мира РНК получила новую жизнь после исследований, продемонстрировавших то, что молекулы РНК проявляют более высокую каталитическую активность в условиях, сходных с теми, что существовали на Земле миллиарды лет назад.
Решена главная проблема появления жизни на Земле
| Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий | Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. |
| Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле | С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. |
| Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира | 01.04.2024 | NVL | Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул. |