Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). В основном потому, что гипотеза мира РНК подкрепляется большим числом экспериментальных свидетельств, чем набрали её конкуренты. Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК. Понятно, что существенный аргумент гипотезы РНК-мира состоит в том, что эта гипотеза создает "простой" переходный мостик между абиогенной органикой и клетками.
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории представили новые данных, подтверждающие гипотезу РНК-мира. Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле были представлены РНК-молекулами, способными к самовоспроизведению без участия белковых ферментов В сообщении, опубликованном в журнале eLife, ученые описывают механизм, согласно которому рибозимы могут возникать спонтанно и служить затравками для синтеза более длинных цепей РНК. Источник фото: Фото редакции Исследователи разработали модели, имитирующие случайные разрывы в простых молекулах РНК.
Словом, РНК оказалась этаким универсалом, мастером на все руки. Она способна делать все, правда, не так хорошо.
Тогда-то и возникла гипотеза о РНК-мире. Суть в том, что сначала на Земле существовали только универсальные РНК, и только потом стали появляться "специалисты", которые выполняли те же самые функции, но лучше. Первыми возникли белки, потом ДНК, как более стабильный и совершенный архив наследственной информации. РНК отошла на второй план, "играя" вспомогательные роли.
Однако новые исследования показали, что это ошибочное представление.
Затем раствор разбавляли до одной пятой концентрации, используя новые капли с питательными веществами и энергично перемешивали. Когда этот процесс повторялся несколько раз, происходили мутации. Весь эксперимент длился 1 200 часов 240 циклов добавления питательных веществ. Это подтверждает возможность такого варианта эволюции», — добавляет Мидзути. Работа ученых представляет собой только первый шаг в понимании перехода от отдельных молекул к клеткам. Команда планирует продолжить исследование дальнейшей эволюции и создания сложных живых систем.
Со временем этот тип нуклеиновых кислот стал однородным. Некоторые из них были рибозимами — соединениями, обладающими ферментативной активностью и обеспечившими последующий катализ ДНК.
Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК"
| Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле | Сегодня Зоя Андреева рассматривает гипотезу РНК-мира, необязательно верную, но способную свергнуть центральную догму. |
| Ученые нашли новые доказательства РНК-мира - Москва NEWS | Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). |
ELife: выявлено самовоспроизведение молекул, подтверждающее гипотезу РНК-мира
Гипотеза не объясняла, как РНК начали соединяться с белками. Новости по тэгу. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК. Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь.
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
Мир РНК утверждает, что когда РНК сформировалась на Земле, она начала размножаться, а затем породила такие молекулы, как ДНК. Одна из научных гипотез предполагает, что первоначально на Земле существовали несвязанные молекулы РНК, возможно, вместе с белками и другими органическими веществами. Основной гипотезой о появлении ДНК и первых клеток в настоящее время является гипотеза РНК-мира, согласно которой сначала происходило образование молекул РНК. Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». гипотеза, с которой срослась проблема внезапного (для учёных особенно) возникновения жизни на совсем молодой, не оформившейся, подвергающейся.
РНК у истоков жизни?
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. Поэтому ее нельзя считать живой. Тем не менее, созданная учеными молекула способна копировать другие молекулы РНК.
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. Вполне возможно, что древние РНК значительно отличались от современных. К сожалению, следов этих древних РНК экспериментально обнаружить нельзя, речь идет о временах, удаленных от нас на миллиарды лет. Даже скалы тех времен давно «рассыпались в песок». Поэтому речь может идти только об экспериментальном моделировании процессов, которые могли протекать на самых ранних стадиях молекулярной эволюции. Почему произошел переход от «мира РНК» к современному миру? Белки, располагающие гораздо большим набором химических групп, чем РНК, являются лучшими катализаторами и структурными элементами. По-видимому, некоторые древние РНК стали использовать белковые молекулы в качестве «орудий труда».
Такие РНК, способные к тому же синтезировать для своих целей полезные молекулы из окружающей среды, получали преимущества в размножении. А затем эволюция сделала свое дело: возник аппарат трансляции, и постепенно ответственность за катализ перешла к белкам. Неужели только ради «чистого искусства», удовлетворения интересов фанатичных исследователей?
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. Репликация полимеров происходила благодаря циклическому изменению температуры, напоминающему естественные условия циклов день-ночь на ранней Земле. Это позволяет предположить, что древние РНК-полимеры могли использовать такие температурные циклы для своего размножения.
Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале eLife. 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.
Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь. Проблемы «Мира РНК» Несмотря на огромную популярность гипотезы «Мира РНК», накапливается все больше данных, указы-вающих на существование препятствий, которые делают эту гипотезу чрезвычайно маловероятной. Согласно гипотезе РНК-мира, молекула РНК играла ключевую роль в молекулярных процессах и биохимических реакциях, которые привели к появлению жизни на Земле. Новости Российского национального комитета мирового нефтяного совета. 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. Гипотеза мира РНК ставит РНК в центр внимания при зарождении жизни.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Возможно, они были основой и зарождения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе все необходимое для этого. И в этих фантазиях можно лишь позавидовать воображению древних авторов: по вопросу о том, из чего, как и почему возник космос, откуда и каким образом появилась жизнь — и люди, — версии звучали самые разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна громадным вороном, люди выползали червями из тела первопредка Паньгу, лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения.
Научно: Мир РНК В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь — это «единство и борьба» двух начал: изменяющейся и передающейся по наследству информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций — с другой. Одно без другого невозможно — и вопрос о том, с чего жизнь началась, с информации и нуклеиновых кислот или с функций и белков, остается одним из самых сложных. А одним из известных решений этой парадоксальной задачи является гипотеза «мира РНК», появившаяся еще в конце 1960-х и окончательно оформившаяся в конце 1980-х.
РНК — макромолекулы, в хранении и передаче информации не столь эффективные, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций — не столь впечатляющие, как белки. Зато молекулы РНК способны и на то, и на другое, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, и катализируют целый ряд реакций в ней. РНК же может быть полностью автономной: она способна катализировать собственное «размножение» — и для начала этого достаточно.
Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Взять хотя бы наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом Lesley Orgel : если в раствор способной к саморепликации РНК добавить бромистый этидий, служащий для этой системы ядом, блокирующим синтез РНК, то понемногу, со сменой поколений макромолекул, в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые инструменты-белки, а затем — в комплексе с ними — «открыть» для себя и двойную спираль ДНК, идеальный носитель наследственной информации.
По мнению ее сторонников, никакая жизнь вовсе никогда не возникала — как не рождалась и Земля, не появлялся и космос: они просто были всегда, всегда и пребудут. Все это не более обосновано, нежели черви Паньгу: чтобы всерьез принять такую «теорию», придется забыть о бесчисленных находках палеонтологии, геологии и астрономии. А по сути, отказаться от всего грандиозного здания современной науки — но тогда, наверное, стоит отказаться и от всего того, что полагается его жителям, включая компьютеры и безболезненное лечение зубов.
Научно: Протоклетки Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь — это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь — это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле — первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин.
В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие желтые капли масла, плавающего в воде. В целом идеи ученого принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак, получивший за свои работы Медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамалой Katarzyna Adamala он сумел создать своего рода модель «протоклетки», аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из еще более простых органических молекул, жирных кислот, которые вполне могли накапливаться в местах возникновения первых протоорганизмов.
Шостаку и Адамале удалось даже «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния стимулирующие работу РНК-полимераз и лимонную кислоту стабилизирующую структуру жировых мембран. В итоге у них получилась совершенно простая, но в чем-то живая система; во всяком случае это была нормальная протоклетка, которая содержала защищенную мембраной среду для размножения РНК. С этого момента можно закрыть последнюю главу предыстории жизни — и начать первые главы ее истории.
Долгое время было неясно, как такая молекула могла возникнуть из своих предшественников, лишенных каталитической активности. Исследователи обнаружили, что рибозим, способный расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно, так как его функционирование требует всего нескольких классических компонентов. Однако оставалась проблема - как именно это свойство сохранилось в процессе биохимической эволюции. Чтобы прояснить этот вопрос, ученые разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности.
Процесс не обошелся без инопланетного вмешательства — нужные молекулы были занесены на Землю кометами. Статья опубликована в журнале Science, о деталях исследования также сообщается на сайте издания. Главный вопрос, на который предстояло ответить — как пурины, аденозин и гуанозин, которые превращают РНК в сложный комплекс, могли возникнуть из так называемых дожизненных молекул. Цепочку химических реакций, приведших к такому результату, и описали немецкие ученые.
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. Диагностировать болезнь предполагается путём обнаружения в клинических образцах например, в крови, в моче или в мокроте молекул определённых индикаторных "маркёрных" РНК, которые присутствуют во всех раковых клетках независимо от вида рака. Примером такого универсального маркёра является мРНК белковой субъединицы теломеразы - фермента, отвечающего за синтез концевых участков хромосом теломер. Эта мРНК присутствует и в нормальных стволовых клетках, которые, подобно раковым клеткам, способны к неограниченному делению. Однако, в отличие от раковых клеток, стволовые клетки находятся в своих нишах и не распространяются по организму. Поэтому присутствие теломеразной мРНК там, где стволовых клеток быть не должно например, в плазме или в клетках крови , может служить указанием на наличие злокачественного процесса. Существуют также РНК, которые могут служить групповыми маркёрами всех видов рака кишечника, или всех видов рака молочной железы, или всех видов рака печени. Попытки использовать РНК-маркёры для молекулярной диагностики рака были и раньше, но из-за ограниченной чувствительности и недостаточной специфичности стандартной ПЦР полимеразной цепной реакции они закончились неудачей. Следует отметить исключительно высокий потенциал наноколоний для диагностики любых заболеваний, для которых существуют РНК- или ДНК-маркёры, в т. Например, молекула белка в том числе белка-маркёра рака может быть обнаружена путём размножения суррогатной ДНК-мишени, образованной лигированием фрагментов ДНК, способных одновременно связываться с данной молекулой белка посредством специфических лигандов например, антител. Подобным же образом с помощью наноколоний можно обнаружить одиночные молекулы любого вещества например, наркотика или допинга , достаточно сложные для формирования на своей поверхности, по крайней мере, двух участков специфического связывания лигандов [16]. 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].