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.
Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле
Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Гипотеза мира РНК ставит РНК в центр внимания при зарождении жизни. 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. Новости по тэгу. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК.
РНК у истоков жизни?
Одна из научных гипотез предполагает, что первоначально на Земле существовали несвязанные молекулы РНК, возможно, вместе с белками и другими органическими веществами. Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. 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 нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
| 22-M. «Мир РНК» . ПРОСТЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ТВОРЦА | В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. |
| Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков | 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 РНК-мира для ЕГЭ по биологии - YouTube | Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. |
Копирование других молекул РНК
- Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК
- Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
- Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
- THE CONCEPT OF THE «RNA WORLD»: THEORY AND PRACTICE
- Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле
- Навигация по записям
Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира
Удивительно, что из четырех молекулярных оснований два были в форме, обнаруженной в ДНК, а два другие — в виде, существующем в РНК. Эта работа подрывает так называемую «гипотезу мира РНК», которая утверждает, что РНК сформировала основу биосферы Земли задолго до того, как появились ДНК и другие молекулы, важные для жизни, хотя доказательств этого было недостаточно. Стоит отметить, что ученые, не участвовавшие в исследовании, ставят под сомнение достоверность условий, созданных для исследования. Фрэнсис Уэстолл, директор группы экзобиологии в Центре молекулярной биофизики французского Национального центра научных исследований в Орлеане, отмечает, что формирование оснований требует очень специфических условий.
Возникла проблема «концевой недорепликации ДНК». Этот фермент был обнаружен впервые в 1985 г.
Согласно номенклатуре, этот фермент называют ДНК-нуклеотидилэкзотрансферазой, или теломерной терминальной трансферазой мол. Длина теломерной РНК колеблется от 150 нуклеотидов — у простейших до 1400 нуклеотидов — у дрожжей, у человека — 450 нуклеотидов. Наличие в молекуле теломеразы РНК-последовательности, по которой идет матричный синтез фрагмента ДНК, позволяет отнести теломеразу к своеобразной обратной транскриптазе, то есть ферменту, способному вести синтез ДНК по матрице РНК. Матричный участок представлен в теломеразной РНК только один раз. Его длина не превышает длину двух повторов в теломерной ДНК.
На стадии элонгации выступающая цепь ДНК удлиняется до конца матрицы. После удлинения выступающей цепи ДНК до конца матрицы происходит транслокация, то есть перемещение матрицы и белковых субъединиц фермента на заново синтезированный конец теломеразной ДНК, и весь цикл повторяется вновь. Таким образом происходит решение проблемы концевой репликации ДНК у эукариот. Если молекула ДНК повреждена — например, подверглась разрыву double-strand break, DSB — для ее починки необходима матрица, в которой последовательность нуклеотидов соответствует исходному, «правильному» состоянию поврежденного участка. Ранее считалось, что в качестве таких матриц всегда используются другие молекулы ДНК.
Позже было установлено, что иногда эти ДНК-матрицы синтезируются путем обратной транскрипции на основе РНК при участии ретротранспозонов. При изучении ретровирусов, геном которых представлен молекулами одноцепочечной РНК, было обнаружено, что в процессе внутриклеточного развития ретровирус проходит стадию интеграции своего генома в виде двухцепочечной ДНК в хромосомы клетки-хозяина. В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. Усилия, направленные на выделение такого фермента, увенчались успехом, и в 1970 г.
Темин с Мизутани, а также независимо от них Балтимор открыли искомый фермент в препарате внеклеточных вирионов вируса саркомы Рауса. Каждый вирион полноценная вирусная частица, состоящая из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки ретровирусов содержит две идентичные цепи РНК размером от 8000 до 10 000 нуклеотидов. Этапы обратной транскрипции: 1. Этот участок обычно обозначают как pbs от англ. Второй прыжок, в результате которого новосинтезированная вторая цепь ДНК комплементарно взаимодействует с тРНК-связывающей последовательностью первой цепи.
Вся последовательность реакций протекает без явного участия ферментов репликации клетки-хозяина топоизомеразы, хеликазы, праймазы, ДНК-связывающего белка, лигазы и т. При этом следует отметить, что молекулы вирусных ДНК длиннее молекул вирусных РНК, которые послужили матрицей для обратной транскрипции. Books, 1986. Цитировано по Реакцию обратной транскрипции проводят в специально подобранных условиях с использованием сильных ингибиторов РНКазной активности. Матрицей служит первая цепь кДНК.
Показано, что сочетание этих двух ферментов позволяет повысить выход полноценных двухцепочечных молекул кДНК. По окончании синтеза первая и вторая цепи кДНК остаются ковалентно связанными петлей шпильки, служившей праймером при синтезе второй цепи. Эту петлю расщепляют эндонуклеазой S1, специфически разрушающей одноцепочечные участки нуклеиновых кислот. Образующиеся при этом концы не всегда оказываются тупыми, и для повышения эффективности последующего клонирования их репарируют до тупых с помощью фрагмента Кленова ДНК-полимеразы I E. Уже одно это открытие формально поставило РНК в центр основного постулата молекулярной генетики, так как показало, что поток генетической информации распространяется от РНК не в одном, а в двух направлениях: не только к белку, но и к ДНК.
Все более глубокое проникновение в механизмы основных молекулярно-генетических процессов репликацию, транскрипцию и трансляцию способствовало возникновению понятия о неканонических функциях РНК, осознанию полифункциональности рибонуклеиновых кислот. К достаточно давно определенным каноническим функциям РНК относятся: способность выполнять роль мессенджера при передаче наследственной информации о структуре белка от ДНК к белоксинтезирующему аппарату клеток мРНК , участвовать в формировании структуры рибосом рРНК , обеспечивать специфическое акцептирование и перенос аминокислот к рибосомам тРНК. Вместе с тем РНК свойственны особые неканонические функции, реализуемые на разных этапах программы жизни тех или иных организмов. В биосинтезе белка трансляции РНК безусловно играет определяющую роль. Различные по структуре рРНК формируют основу субчастиц рибосомы и определяют взаимодействие субчастиц при сборке полной рибосомы.
Активация аминокислот, их специфическое акцептирование и доставка к рибосомам осуществляется тРНК. Кодон-антикодоновое взаимодействие между мРНК и тРНК обеспечивает перевод нуклеотидной последовательности информационных макромолекул в аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Сама реакция образования пептидной связи транс-пептидирование и продвижение рибосомы по мРНК транслокация также, по всей видимости, связаны с функционированием рРНК. Пространственная структура мРНК непосредственно влияет на скорость трансляции, а ее способность взаимодействовать с разнообразными регуляторными белками, особенно характерная для высших эукариот, является основой для тонкой регуляции биосинтеза белка. При «включении» гена происходит локальное расплетение спирали ДНК.
Затем с гена, кодирующего белковую молекулу, синтезируется его РНК-копия. После ряда «превращений» она становится матричной РНК, т. Он синтезируется из активированных аминокислот, присоединенных к специальным транспортным РНК. В процесс трансляции вовлечено множество макромолекул и макромолекулярных комплексов. При трансляции происходит считывание генетической информации, заключенной в мРНК, рибосомами и ее передача полипептидным цепям белков, то есть биосинтез полипептидных цепей, последовательность аминокислот в которых определена последовательностью нуклеотидов в мРНК в соответствии с генетическим кодом.
Свободные аминокислоты не узнаются рибосомами. Чтобы это произошло, аминокислоты должны поступать в рибосомы в виде конъюгатов с тРНК аминоацилированных тРНК , последовательности нуклеотидов которых распознаются аппаратом трансляции. Именно эта последовательность, называемая антикодоном, определяет положение аминокислоты в полипептидной цепи. В ходе каждого индивидуального акта трансляции рибосома распознает кодон мРНК и в соответствии с ним выбирает аминоацилированную тРНК, антикодон которой соответствует транслируемому кодону. После этого происходит соединение посредством пептидной связи очередной аминокислоты с С-концевой аминокислотой растущей цепи полипептида.
Таким образом, во время трансляции рибосома после связывания мРНК начинает последовательно, кодон за кодоном, перемещаться вдоль матрицы, выбирая из окружающей среды молекулы аминоацилированных тРНК. При этом каждый индивидуальный акт трансляции завершается присоединением выбранной молекулы аминокислоты к С-концевой аминокислоте синтезируемой цепи белка посредством пептидной связи. Процесс биосинтеза белка рибосомами, как и биосинтез любой другой макромолекулы клетки, условно разделяют на три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию. Во время инициации трансляции происходит сборка нативной 70S или 80S рибосомы на транслируемой мРНК и подготовка к образованию пептидной связи между первыми двумя N-концевыми аминокислотными остатками синтезируемого полипептида. При элонгации происходит последовательное удлинение растущей цепи полипептида аминокислотными остатками, а терминация трансляции сопровождается прекращением синтеза полипептида и его высвобождением из трансляционного комплекса.
При этом наблюдается разделение рибосомы и мРНК, после чего они вступают в новый цикл трансляции. В ходе трансляции рибосома последовательно перемещается вдоль транслируемой молекулы мРНК, считывая заключенную в ней генетическую информацию в виде триплетного генетического кода. При этом биосинтез полипептида начинается с его N-концевой аминокислоты [3]. В процессе транскрипции биосинтезе РНК на матрице ДНК большое значение имеет способность РНК образовывать разнообразные элементы вторичной структуры шпильки , которые влияют как на инициацию, так и на терминацию синтеза РНК. РНК активно участвует в процессе своего собственного созревания — процессинге первичных транскриптов про-РНК.
У примитивных одноклеточных организмов выявлена способность РНК к аутостайсингу — вырезанию некодирующих участков интронов и сшиванию кодирующих фрагментов экзонов без участия белков-ферментов. У организмов, утративших способность к аутосплайсингу, в сплайсировании РНК тем не менее принимают участие особые молекулы — малые ядерные РНК мяРНК , необходимые для безошибочного вычленения интронов из молекул РНК-предшественников. Посттрансляционные модификации синтезированных в ходе трансляции полипептидов, в результате которых образуются функционально активные молекулы, также нередко сопряжены с присоединением к ним значительных по размерам молекул РНК. Информосомы, частицы, присутствующие в животных клетках и состоящие из высокомолекулярной нерибосомной рибонуклеиновой кислоты РНК и особого белка. Информосомы обнаружены впервые советским биохимиком А.
Спириным с сотрудниками в 1964 в цитоплазме зародышей рыб, где они представлены смесью частиц разных размеров Отношение массы РНК к массе белка в информосомах постоянно около 1:4 и одинаково у всех частиц, независимо от их размера. Аналогичные частицы найдены в клетках млекопитающих, в том числе зараженных вирусами, а также у иглокожих и насекомых. Белок информосом служит, вероятно, для переноса иРНК из ядра в цитоплазму, а также для защиты иРНК от разрушения и регуляции скорости белкового синтеза.
Исследователи разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК, лишенные ферментативной активности. В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении. Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом.
Ее мономеры — нуклеотиды — могли образовываться в ходе химических реакций без участия живых систем, в 2020 году Томонори Тотани Tomonori Totani предложил статистическую модель ее случайного возникновения во Вселенной. Позже РНК эволюционировала в дезоксирибонуклеиновую кислоту ДНК , лучше подходящую для хранения генетической информации, а ее соединения с пептидами — рибонуклеопротеины — в белки, лучше выполняющие каталитические, транспортные, структурные и сенсорные функции. Наследниками мира РНК в современных организмах считаются рибосомы, чья рибозимная активность отвечает за процесс трансляции , а также универсальное производство и хранение энергии в виде аденозинтрифосфата АТФ и функционирование рибонуклеотидов в качестве коферментов и сигнальных молекул. Предложены и альтернативные теории зарождения жизни на Земле. Также не исключено, что РНК-жизнь была не первой , но оказалась наиболее успешной. Тем не менее гипотеза мира РНК в настоящее время доминирует в науке, хотя и в ней есть немало пробелов. Один из них — объяснение возникновения полимеразных рибозимов синтезирующих РНК на матрице РНК , которые обладают достаточной процессивностью способностью присоединять последовательные мономеры без высвобождения получающегося полимера. Существующие попытки их создания in vitro особым успехом не увенчивались из-за низкой аффинности таких рибозимов к матрице. Петер Унрау Peter Unrau и Разван Кожокару Razvan Cojocaru из Университета Саймона Фрейзера предположили, что РНК-полимеразный рибозим может частично гибридизироваться со специфичным праймером , который напоминает бактериальный сигма-фактор инициации транскрипции, обеспечивающий связывание РНК-полимеразы с промоторами определенных генов. Такой аналог скользящего зажима в открытой конфигурации мог бы находить матричную одноцепочечную РНК и после ее фиксации отделять праймер от сайта его связывания с рибозимом, переводя зажим в закрытую форму и обеспечивая процессивность. Чтобы проверить свою гипотезу, авторы работы оттолкнулись от известного РНК-полимеразного рибозима B6. В исходную молекулу внесли изменения, добавив к ней праймер-связывающий сайт, вставляя случайные последовательности до получения 1013 вариантов биомолекулы и удалив лишнюю последовательность из дополнительного домена. Полученный пул молекул подвергли 30 циклам направленной селекции, отсеивающей неспецифичные к матрицам варианты и выделяющей работоспособные зажимы и высокую процессивность. Путем дальнейшей эволюции в пробирке под действием различных мутагенов исследователи получили функциональный РНК-полимеразный рибозим с зажимом clamping polymerase, CP. В ряде экспериментов он успешно определял промоторы заданных РНК-матриц, связывался с ними и эффективно производил их копии подобно тому, как работают ДНК-зависимые РНК-полимеразы прокариот. Полученные результаты подразумевают, что схожие рибозимы на ранних стадиях развития жизни могли приобрести столь же сложные биологические свойства», — пояснил Унрау. Ранее исследователям уже удавалось использовать «эволюцию в пробирке» для синтеза РНК-полимеразных рибозимов, но не обладающих зажимом и ограниченных по точности синтеза. Также различные научные коллективы показали, что синтезу нуклеотидов при возникновении жизни способствовала цикличная смена влажности, а подходящей подложкой для синтеза из них РНК могла служить глина. Олег Лищук Нашли опечатку? Побелевшие от горя Мария Пази Февральский ветер шуршит по иглам дугласовых пихт. С одной из колючих веток разноголосый дрозд с любопытством оглядывает сонный городок в штате Вашингтон. Дремать ему, впрочем, осталось недолго — на берегу реки найдено тело школьницы Лоры Палмер. В первом сезоне «Твин Пикса», пока агент Дейл Купер объедается вишневыми пирогами, отец убитой Лоры, юрист Лиланд Палмер, мечется по грани между горем и безумием. Наутро второго сезона он проснется белым как полярная лисица. Поседевший за ночь Лиланд обретет спокойствие причудливого характера: будет петь и танцевать, иногда срываясь на истерический хохот. Считается, что из-за сильного эмоционального потрясения, вроде того, что пережил Лиланд, можно резко растерять пигмент кожи и волос — меланин — и поседеть. Синдром, при котором волосы стремительно белеют, называют синдромом Марии-Антуанетты. Согласно легенде, перед казнью сверженная королева Франции тоже поседела за ночь. Ей, как и Лиланду, было о чем понервничать. В историях и легендах внезапно поседевшие люди встречаются часто, а на страницах медицинских журналов — редко. К тому же эти клинические отчеты не всегда точны, а местами больше похожи на выдумки, чем на научные наблюдения. Один из немногих научных обзоров середины XX века едва набрал с полсотни случаев с 1827 года. Авторы исследования посвежее, 2013 года, отмечают, что из 196 случаев, описанных с 1800 года по настоящее время, лишь 44 были подтвержденными — то есть ученые и врачи лично наблюдали быстрое поседение. В остальных случаях авторы поверили на слово или пациенту, или коллегам. Десятилетиями туман из мифов позволял феномену нервной седины ускользать от исследователей. Но с 2010-х скепсис в отношении клинических случаев прошлого постепенно сменился живым научным интересом и исследованиями нервной седины у мышек в контролируемых лабораторных условиях. Сейчас мы знаем и про людей, что седина от стресса — не выдумка культуры. Пусть без преувеличений и не обошлось. Как можно поседеть от стресса? И раз уж это не сказки, чем опасна нервная седина?
Ученые описали, как появилась РНК
| Исследователи смешивают РНК и ДНК, чтобы изучить, как началась жизнь на Земле | Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. |
| Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК" | | Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. |
| Обнаружены новые доказательства РНК-мира: Наука: Наука и техника: | и, возможно, единственной - формой жизни до появления первой ДНК- клетки. |
| Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира | Медицина и наука | Понятно, что существенный аргумент гипотезы РНК-мира состоит в том, что эта гипотеза создает "простой" переходный мостик между абиогенной органикой и клетками. |
| Telegram: Contact @anthropogenes | Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь. |
Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
| гипотеза "Мир-РНК" | Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. |
| Появилась новая гипотеза возникновения ДНК и РНК | Сторонники гипотезы РНК-мира считают, что на начальном этапе зарождения жизни на нашей планете возникли автономные РНК-системы, которые катализировали «метаболические» реакции (например, синтеза новых рибонуклеотидов) и самовоспроизводились. |
Тайна появления жизни на Земле
В современных биохимических системах молекулы РНК практически не участвуют в каталитических процессах, исключение составляют нуклеозиды — малые ядерные РНК, для работы которых требуется кофактор — ионы металла, чаще всего - магния. Однако Лорен Уильямс Loren Williams из Технологического Института Джорджии отмечает, что дискуссии со специалистами по геологии заставили его более точно смоделировать условия на Земле, которые существовали во время существования предполагаемого мира РНК, около 2,5 миллиардов лет назад — значительное количество ионов железа II и малая концентрация свободного кислорода в атмосфере. Уильямс отмечает, что в присутствии кислорода железо разрушает РНК, однако в бескислородном окружении этого не происходит. Исследователи использовали стандартную пероксидазную пробу, в которой происходит окисление органического красителя под действием радикал-катиона, образующегося из пероксида водорода.
Он считал, что всё живое можно разделить на три независимых домена — археи, бактерии и животные — и что археи не просто «странные бактерии», а целое отдельное царство, развивающееся по собственному пути. В конце концов, ему это удалось, но параллельно с открытием доменной структуры жизни Вёзе, всю жизнь изучавший РНК, пришел к неожиданному выводу. Вёзе писал: «Мои эволюционные интересы были сосредоточены в первую очередь на бактериях и археях, эволюция которых охватывает большую часть истории планеты.
Используя последовательность рибосомной РНК в качестве единицы измерения эволюции, мы реконструировали филогенетическое древо обеих групп и, таким образом, предоставили обоснованную систему классификации безъядерных организмов. Открытие архей фактически было продуктом этих исследований». Источник: On the evolution of cells И вот накопленные знания об РНК, ее свойствах и способности изменяться наталкивают Вёзе на мысль, что именно РНК была тем «посредником» между миром неорганических молекул и жизнью. В этом ему сильно помогает открытие у РНК способности к катализу — то, что раньше считалось только белковой привилегией, оказывается вовсе не редкостью для маленьких нуклеиновых кислот. Вёзе приходит к идее РНК-мира — всё началось с РНК, которая самокопировалась в воде и в какой-то момент начала самостоятельно создавать пептиды небольшие белки. Но тогда это была всего лишь гипотеза.
Обрастать плотью доказательств гипотеза стала позже, с приходом на мировую научную арену новых молекулярных биологов, в частности Уолтера Гилберта. Он занимался разработкой методов секвенирования — расшифровки нуклеотидной последовательности и за это в 1980 году получил Нобелевскую премию вместе с Полом Бергом. Но, как любой крупный ученый, Гилберт интересовался многим и в 1986 году опубликовал статью, развивающую идеи Вёзе, — « Происхождение жизни. РНК-мир ». Именно Гилберт придумал для гипотезы емкое название — РНК-мир. Все полученные данные об РНК неплохо укладывались в эту теорию.
Нашлись и косвенные подтверждения гипотезы в самой молекулярной догме и процессах репликации то есть удвоения ДНК. Дело в том, что если рассматривать всех участников молекулярной догмы, то можно заметить одну важную деталь: рибосомы для синтеза белка есть у всех и в целом очень похожи по строению — не важно, у кого мы будем брать рибосому, у архей, бактерий или эукариот. Та же ситуация с процессом снятия копии, то есть синтеза матричной РНК. А вот участники процесса репликации ДНК немного разнятся у разных царств, хотя процесс идейно похож. Из этого наблюдения у ряда ученых родилось любопытное предположение: репликация ДНК появилась позже рибосом и системы синтеза РНК, хотя четких доказательств пока нет. Теоретически именно ДНК могла возникнуть как вспомогательный элемент догмы: нечто крупное и неповоротливое, что удобно хранить, поднимая время от времени нужные гены.
Впрочем, оказалось, что РНК способна и к самокопированию, и даже к изменчивости, то есть накоплению мутаций и некоторого рода эволюции. Эксперименты, показавшие эти ее свойства, были проведены еще в прошлом веке и тоже стали кирпичиком новой гипотезы. Одним из первых их провел британский молекулярный биолог Лесли Орджел, который, помимо своих научных исследований, известен забавным «правилом Орджела»: «Эволюция умнее, чем ты». К началу нового века гипотеза РНК-мира сформировалась окончательно. Многократно самокопирующаяся РНК действительно могла породить всё живое на Земле, постепенно отграничив себя от пространства и сформировав протоклетку. Но, как это обычно случается в науке, возникли новые вопросы.
Исследователи использовали стандартную пероксидазную пробу, в которой происходит окисление органического красителя под действием радикал-катиона, образующегося из пероксида водорода. Уильямс отмечает, что если представить сложные метаболитические системы мира РНК, в которых рибонуклеиновые кислоты играли роль первичных ферментов, для таких процессов была необходима реализация переноса электрона. Результаты новых исследований говорят о том, что подобные каталитические процессы могли иметь место в условиях бескислородной атмосферы пребиотической Земли. Уильямс также предполагает, что после появления процесса фотосинтеза и увеличения концентрации кислорода железо II окислилось до железа III , став более опасным для РНК, и постепенно было замещено магнием для всех процессов, протекающих с участием РНК.
Эксперимент показал, что из таких разрывов возникали короткие цепочки РНК, действующие как праймеры для синтеза более длинных цепей РНК. Это приводило к образованию множества копий разрушенного полимера. Ученые сравнили это явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты. Ранее исследования показали, что социальный статус влияет на активность генов и передается от матери к детям.
ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили о новых доказательствах в пользу гипотезы РНК-мира. Чтобы гипотеза о мире РНК была достоверной, мы должны представить себе, что достаточно длинный предшественник РНК, способный к репликации, мог спонтанно появиться в пребиотическом супе. Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения.
ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул
Однако возникал вопрос: как такая молекула могла возникнуть из предшественников, не обладавших каталитической активностью. Исследования показали, что рибозим, способный катализировать расщепление других молекул, мог возникнуть спонтанно, так как для его функционирования требовалось лишь несколько консервативных оснований. Однако оставалась проблема: как такое свойство могло сохраниться в процессе биохимической эволюции. 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.
Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник. В 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда удалось продемонстрировать возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции а также с возможностью накопления конечных продуктов в условиях ранней Земли. В то же время, хотя абиогенный синтез пуриновых оснований продемонстрирован достаточно давно в частности, аденин является пентамером синильной кислоты , их гликозилирование свободной рибозой аденозина и гуанозина пока показано лишь в малоэффективном варианте. Сначала темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти «пробирочных поколений» эволюции в процессе естественного отбора вывелась новая порода РНК, стойкая к яду. Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям.
Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений и намного больше поколений РНК, так как поколения сменялись и внутри каждой пробирки. Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее. Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией. После открытия каталитической активности РНК рибозимов их эволюция в автоматизированном устройстве под управлением компьютера наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии в 2008 году. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата, куда входили олигонуклеотиды, которые рибозим распознавал и присоединял к себе, и нуклеотиды для синтеза РНК и ДНК. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность для ускорения процесса несколько раз смесь подвергалась мутированию с помощью полимеразной цепной реакции с использованием "неточных" полимераз.
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.
Гипотеза и свойства РНК Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь. Некоторые теории, относящиеся к происхождению жизни, представляют РНК-опосредованную информацию и катализ как первый шаг в эволюции клеточной жизни. РНК на самом деле способна хранить информацию, но, по сравнению с ДНК, она также способна катализировать такие реакции, как белковые ферменты. Гипотеза предполагает, что эта основанная на РНК система эволюционировала в нынешнюю систему, включающую ДНК и белки, благодаря большой химической стабильности ДНК необходимой для сохранения очень ценной информации о генах и большей каталитической гибкости, которой обладают аминокислоты. Однако важную роль играют рибозимы; рибозимы являются важными компонентами рибосомы , последняя жизненно необходима для синтеза белка. Есть много возможных функций рибозима: природа широко использует саморасщепляющуюся РНК , а прямая эволюция создала рибозимы с разнообразной активностью. Среди наиболее важных каталитических свойств, связанных с происхождением жизни, можно выделить: Способность к самодупликации или дублированию других молекул РНК. В лаборатории были получены относительно короткие молекулы РНК, способные дублировать другие. Самая короткая идентифицируемая длина составляет 165 оснований, хотя считается, что может быть достаточно и меньшего размера. Способность катализировать простые химические реакции, что позволяет создавать новые молекулы. Относительно короткие нити с такими возможностями были изготовлены в лаборатории. Эта операция в настоящее время выполняется рибосомами , комплексами, состоящими из белков и двух длинных молекул РНК известных как рРНК , которые, как полагают, несут главную ответственность за активность синтеза белка. В лаборатории была синтезирована молекула, способная образовывать короткие пептиды. Можно предположить, что современные рибосомы могли произойти из таких молекул. Также было высказано предположение, что аминокислоты могли первоначально образовывать комплексы с молекулами РНК в качестве кофакторов , способных усиливать и диверсифицировать ферментативные способности; мРНК могла произойти из сходных молекул, а тРНК из филаментов, способных катализировать перенос одних и тех же аминокислот к коротким пептидам. Самое главное, эта группа делает молекулу менее стабильной, так как она может атаковать близлежащую фосфодиэфирную связь и разорвать ее. Другим существенным отличием является используемый набор оснований РНК , который включает урацил вместо тимина , используемого ДНК.
Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков
Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre , ответственный за транспептидацию синтеза белка. Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной к тому блоку, который при отрыве разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, реконструированном исследователями. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации.
РНК также представляет собой единственный генетический материал некоторых вирусов, таких как ретровирусы , что доказывает, что только РНК может составлять геном. Эти и другие свидетельства, присутствующие в современных живых организмах, убедительно подтверждают идею о том, что РНК была последней самореплицирующейся молекулой до появления ДНК [13]. Хотя нуклеотиды не были идентифицированы в классическом эксперименте Миллера-Юрея , есть и другие эксперименты, такие как эксперимент Джоана Оро , которые подчеркивают их возможный автономный синтез в условиях окружающей среды, характерных для происхождения жизни. В последующем эксперименте в менее восстановительной атмосфере, чем у Юри, были получены нуклеотиды [14] , что еще больше укрепило гипотезу мира РНК. Эта гипотеза также подтверждается исследованиями очень простых рибозимов, таких как вирусные Q-бета РНК , которые продемонстрировали способность к самовоспроизведению даже под очень сильным селективным давлением. Фактически ультрафиолетовые лучи одновременно вызывают полимеризацию РНК и расщепление других типов органических молекул, потенциально способных катализировать деградацию РНК например, рибонуклеаз. Во всяком случае, это аспект, еще не подтвержденный экспериментальными наблюдениями. Противоположные аргументы Аргументы, противоречащие гипотезе, основаны на маловероятности спонтанного образования молекул РНК, а также на том, что цитозиновое основание недостаточно проверено в методах пребиотического тестирования, так как легко подвергается гидролизу. Пребиотические условия, необходимые для самопроизвольного образования трех элементов, составляющих нуклеотид, отличаются друг от друга. Азотистые основания образуются в средах, отличных от тех, которые необходимы для образования сахаров, присутствующих в скелете нуклеиновой кислоты. По этой причине было бы необходимо предположить спонтанный синтез двух классов молекул в разных средах с последующим их объединением. Однако надо сказать, что в водной среде такое соединение маловероятно, так как азотистые основания и сахара в любом случае не способны реагировать. Третий элемент, фосфат , сам по себе крайне редко встречается в природных растворах, так как быстро выпадает в осадок. И даже если он присутствует, он должен сочетаться с нуклеозидом на правильном гидроксиле. Таким образом, чтобы встроиться в молекулу РНК, нуклеотид должен быть активирован за счет связывания двух других фосфатных групп с образованием, например, аденозинтрифосфата. Помимо всего этого, рибоза должна иметь правильную стереоизомерию , так как нуклеотиды, имеющие неправильную хиральность , выступают в роли терминаторов транскрипции. Фактически, он утверждал, что этот эксперимент не показал, что нуклеиновые кислоты были основой происхождения жизни, а просто показал, что эта гипотеза не была неправдоподобной.
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. Исследователи разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК, лишенные ферментативной активности. В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты.
В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении. Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом. Если одна из цепочек обладает петлей шпилькой , то возможно образование молекулы РНК, которая действует как рибозим типа hammerhead, способный осуществлять собственное расщепление.
Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
и, возможно, единственной - формой жизни до появления первой ДНК- клетки. Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции.
Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
Генетическая информация в виде цепочек ДНК копируется и передается от поколения к поколению. Но как обстояло дело до появления клеток и ДНК? В 1968 году химик Лесли Орджел опубликовал статью, в которой описал возможность существования жизни на Земле исключительно в виде рибонуклеиновых кислот, которые были способны передавать информацию безо всяких белков.
А чтобы синтезировать белки, нужна ДНК. Образуется замкнутый круг, который навел ученых на мысль, что первые организмы хранили генетическую информацию не в виде ДНК, а в виде РНК. РНК содержится в клетке и выполняет в ней разнообразные функции.
Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении. Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом. Если одна из цепочек обладает петлей шпилькой , то возможно образование молекулы РНК, которая действует как рибозим типа hammerhead, способный осуществлять собственное расщепление.
В дальнейшем начинается самовоcпроизводство этого энзима в соответствии с первой моделью.
Нет, вместо этого Вахтершаузер представил поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Эта вода богата вулканическими газами вроде аммиака и содержит следы минералов из сердца вулкана. Там, где вода текла через скалы, начинали происходить химические реакции. В частности, металлы из воды помогали простым органическим соединениям сливаться в более крупные. Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество превращается в ряд других химических веществ, пока в конце концов не будет воссоздан исходник. В процессе этого вся система накапливает энергию, которая может быть использована для перезапуска цикла — и для других вещей. Инопланетная жизнь может обитать рядом с белыми карликами Все остальное, из чего состоит современный организм — ДНК, клетки, мозги — появились позже, поверх этих химических циклов.
Эти метаболические циклы вообще мало похожи на жизнь. Вахтершаузер назвал свое изобретение «прекурсорами организмов» и написал, что «едва ли их можно назвать живыми». Но метаболические циклы вроде тех, что описал Вахтершаузер, лежат в основе всего живого. Ваши клетки — это по сути микроскопические химические заводики, постоянно перегоняющие одни вещества в другие. Метаболические циклы нельзя назвать жизнью, но они имеют основополагающее значение для нее. В течение 1980-х и 1990-х годов Вахтершаузер работал над деталями своей теории. Он изложил, какие минералы подошли бы больше всего и какие химические циклы могли иметь место. Его идеи начали привлекать сторонников. Но все это было сугубо теоретическим.
Вахтершаузеру нужно было реальное открытие, которое подкрепило бы его идеи. К счастью, его уже сделали десятью годами ранее. Источники в Тихом океане В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон погрузилась на 2,5 километра в восточной части Тихого океана. Они изучали Галапагосские горячие источники в местах, где с морского дна поднимались высокие хребты. Эти хребты были вулканически активными. Корлисс обнаружил, что эти хребты были буквально усеяны горячими источниками. Горячая, обогащенная химическими веществами вода поднимается из-под морского дна и струится через отверстия в скалах. Невероятно, но эти гидротермальные источники были густо населены странными животными. Там были огромные моллюски, мидии и кольчатые черви.
Вода также была густо пропитана бактериями. Все эти организмы жили на энергии гидротермальных жерл. Открытие этих источников сделало Корлиссу имя. И заставило задуматься. В 1981 году он предположил, что подобные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они стали местом происхождения жизни. Он посвятил львиную долю своей карьеры изучению этого вопроса. У гидротермальных источников живет странная жизнь Корлисс предположил, что гидротермальные источники могли создавать коктейли химических веществ. Каждый источник, говорил он, был своего рода распылителем первичного бульона. По мере того, как горячая вода текла через скалы, тепло и давление приводили к тому, что простые органические соединения сливались в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара.
Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начинали связываться в цепочки — формировать углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК. Затем, когда вода подходила к океану и остывала еще больше, эти молекулы собирались в простые клетки. Это было интересно, теория привлекла внимание людей. Но Стэнли Миллер, эксперимент которого мы обсуждали в первой части, не поверил. В 1988 году он писал, что глубоководные жерла были слишком горячими. Каким образом человек смог повторно заразиться коронавирусом? Хотя сильное тепло может привести к образованию химических веществ вроде аминокислот, эксперименты Миллера показали, что оно также может и уничтожить их. Основные соединения вроде сахаров «смогли бы выжить пару секунд, не больше». Более того, эти простые молекулы вряд ли связались бы в цепи, поскольку окружающая вода мгновенно их разорвала бы.
На этом этапе к битве подключился геолог Майк Расселл. Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Более того, ему показалось, что эти источники будут идеальным домом для прекурсоров организма Вахтершаузера. Это вдохновение привело его к созданию одной из самых широко признанных теорий происхождений жизни. Геолог Майкл Расселл В карьере Расселла было много интересных вещей — он делал аспирин, разыскивая ценные минералы — и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал реагирование на возможное извержения вулкана, несмотря на отсутствие подготовки. Но его больше интересовало, как менялась поверхности Земли на протяжении эпох. Эта геологическая перспектива и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни. В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного типа гидротермального источника, в котором температуры не превышали 150 градусов по Цельсию. Эти мягкие температуры, по его словам, могли позволить молекулам жизни жить дольше, чем полагал Миллер.
Более того, ископаемые остатки этих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал пирит, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, что пирит также может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур. Железный пирит Примерно в это же время Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был поток горячей химически обогащенной воды, протекающей через минералы. Он даже предположил, что в этом процессе участвовал пирит. Расселл сложил два плюс два. Он предположил, что гидротермальные источники на глубине моря, достаточно холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря — и сначала появился метаболизм. Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера.
Она не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, но была, возможно, более важной. Расселл объединил две, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса — в нечто по-настоящему убедительное. Расселл даже предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. То есть он понял, как мог бы работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки. Питер Митчелл, нобелевский лауреат В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти в отставку из Университета Эдинбурга. Вместо этого он создал частную лабораторию в отдаленном поместье в Корнуолле. Изолированный от научного общества, он финансировал свою работу за счет стада молочных коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы обсудили во второй части, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми.
Спустя несколько десятков лет Митчелла ждала абсолютная победа: Нобелевская премия по химии 1978 года. Он не стал знаменитым, но его идеи сегодня в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, что организмы делают с энергией, которую получают из пищи. По сути, он задавался вопросом, как всем нам удается оставаться в живых каждую секунду. Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате АТФ. К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем запирается в АТФ. Может ли искусственный интеллект уничтожить человечество уже к 2035 году? Когда клетка нуждается в энергии — например, когда сокращается мышца — она разбивает третий фосфат в АТФ.
Митчелл хотел узнать, как клетка вообще создает АТФ. Как она накапливает достаточно энергии в АДФ, чтобы прикрепить третий фосфат? Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится в мембране. Поэтому предположил, что клетка закачивает заряженные частицы протоны через мембрану, поэтому много протонов находится по одну сторону, а по другую — нет. Затем протоны пытаются просочиться обратно через мембрану, чтобы уравновесить число протонов по каждую сторону — но единственное место, через которое они могут пройти, это фермент. Поток текущих протонов, таким образом, обеспечивал фермент энергией, необходимой для создания АТФ. Впервые Митчелл изложил свою идею в 1961 году. Следующие 15 лет он провел, защищая ее со всех сторон, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс Митчелла используется каждым живым существом на Земле.
Прямо сейчас он протекает в ваших клетках. Как и ДНК, он лежит в основе известной нам жизни. Расселл позаимствовал у Митчелла идею протонного градиента: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и немногого — на другой. Все клетки нуждаются в протонном градиенте, чтобы хранить энергию. Современные клетки создают градиенты, откачивая протоны через мембраны, но для этого нужен сложный молекулярный механизм, который просто не мог появиться сам по себе. Поэтому Расселл сделал еще один логический шаг: жизнь должна была сформироваться где-то с естественным протонным градиентом. Например, где-то у гидротермальных источников. Но это должен быть особенный тип источника. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде много протонов.
Чтобы создать протонный градиент, вода из источника должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной. Источники Корлисса не подходили. Они не только были слишком горячими, но еще и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные источники. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и она была вынуждена работать, чтобы остаться в колледже. Но справилась и выбрала предметом своего интереса подводные вулканы и обжигающие горячие гидротермальные источники. Эта пара и привела ее в центр Атлантического океана. В этом месте земная кора треснула и с морского дна поднялся хребет гор. На этом хребте Келли обнаружила поле гидротермальных источников, которое назвала «Потерянным городом».
Они не были похожи на обнаруженные Корлиссом. Вода вытекала из них при температуре 40-75 градусов по Цельсию и была слегка подщелоченной. Карбонатные минералы из этой воды слипались в крутые белые «столбы дыма», которые поднимались с морского дна подобно трубам органа. На вид они жуткие и призрачные, но это не так: в них обитает множество микроорганизмов. Эти щелочные жерла идеально вписывались в идеи Расселла. Он твердо поверил в то, что жизнь появилась в таких «потерянных городах». Но была одна проблема. Будучи геологом, он знал не так много о биологических клетках, чтобы убедительно представить свою теорию. Столб дыма «черной курилки» Поэтому Расселл объединился с биологом Уильямом Мартином.
В 2003 году они представили улучшенный вариант прежних идей Расселла. И это, наверное, самая лучшая теория появления жизни на данный момент. Благодаря Келли, теперь они знали, что породы щелочных источников были пористыми: они были усеяны крошечными отверстиями, наполненными водой. Эти крошечные кармашки, предположили они, действовали в качестве «клеток». В каждом кармашке находились основные химические вещества, в том числе и пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом от источников, они были идеальным местом для начала метаболизма. После того, как жизнь научилась использовать энергию вод источников, говорят Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы вроде РНК. В конце концов, она создала себе мембрану и стала настоящей клеткой, сбежав из пористой породы в открытую воду. Такой сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной из ведущих гипотез о происхождении жизни.
Клетки бегут из гидротермального источника В июле 2016 года он получил поддержку, когда Мартин опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали « последнего универсального общего предка » LUCA. Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь. Едва ли мы когда-нибудь найдем прямые окаменевшие доказательства существования этого организма, но тем не менее вполне можем делать обоснованные предположения о том, как он выглядел и чем занимался, изучая микроорганизмы наших дней. Это и проделал Мартин. Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех. Это убедительно говорит о передаче этих 355 генов, через поколения и поколения, от общего предка — примерно того времени, когда жил последний универсальный общий предок. Эти 355 генов включают некоторые для использования протонного градиента, но для генерации оного — нет, как и предсказывали теории Расселла и Мартина. Более того, LUCA, похоже, был адаптирован к присутствуют химических веществ вроде метана, что наводит на мысли, что он населял вулканически активную среду — по типу жерла. Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории.
Одну можно поправить; другая может быть фатальной. Гидротермальные источники Первая проблема в том, что экспериментальных доказательств описанных Расселлом и Мартином процессов нет. У них есть пошаговая история, но ни один из этих шагов не наблюдался в лаборатории. Он построил «реактор происхождения жизни», который имитирует условия внутри щелочного источника. Он надеется увидеть метаболические циклы, а может даже и молекулы вроде РНК. Но пока еще рано. Вторая проблема заключается в расположении источников в глубоком море. Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы вроде РНК и белков не могут формироваться в воде без вспомогательных ферментов. Для многих ученых это фатальный аргумент.
И все же Расселл и его союзники остаются оптимистами. И только в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Он обещает нечто, чего не удалось добиться ни «миру РНК», ни гидротермальным источникам: способ создать целую клетку с нуля. Часть пятая: так как же всё-таки создать клетку? К началу 2000-х годов ученые выделили две ведущие идеи о том, как могла появиться жизнь. Сторонники «РНК-мира» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы. В то же время ученые в лагере «сначала метаболизм» считают, что жизнь могла появиться в гидротермальных жерлах на дне океана. И все же на передний план вышла третья идея. Каждое живое существо на Земле состоит из клеток.
Каждая клетка — это по сути мягкий шарик, мешочек, с жесткой внешней стенкой, или «мембраной». Задача клетки — удерживать все предметы первой необходимости вместе. Если наружная стенка порвется, внутренности выльются наружу и клетка умрет — так же, как и выпотрошенный человек. Человечество изменило сушу до неузнаваемости. Но что насчет воды? Наружная стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни даже считают, что она появилась прежде всего. Они считают, что подходы «сперва генетика», который мы обсудили во второй части, и «сперва метаболизм», который мы обсудили в четвертой части, ошибочны. Все живые предметы состоят из клеток Идея Луизи проста, и с ней трудно спорить. Каким образом вы собрались создавать рабочую метаболическую систему или самовоспроизводящуюся РНК, каждый из которых опирается на наличие большого количества химических веществ в одном месте, если вы сначала не сделаете контейнер, который удерживает все молекулы вместе.
Если вы с этим согласны, есть только один способ, с которого могла начаться жизнь. Каким-то образом, в жаре и буре ранней Земли, неколько сырых материалов сложились в грубые клетки, или «протоклетки». Осталось только повторить это в лаборатории: создать простую живую клетку. Идеи Луизи можно проследить аж до Александра Опарина и рассвета науки о происхождении жизни в СССР, которых мы обсудили в первой части. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют сгустки — коацерваты — которые могут держать другие вещества внутри. Он предположил, что коацерваты были первыми протоклетками. Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать сгустки или пленки в воде. Эти химические вещества известны в общем как липиды. Соответственно, гипотезу о том, что с них начала жизнь, назвали «липидным миром».
Но просто сформировать сгустки недостаточно. Они должны быть стабильными, уметь делиться на «дочерние» сгустки и хоть немного контролировать, что проходит внутрь и выходи наружу — и все это без сложных белков, которые используют современные клетки для этих задач. Появилась задача собрать такие протоклетки из всего необходимого материала. Несмотря на множество попыток за много лет, Луизи так и не сделал ничего хоть мало-мальски убедительного. И тогда, в 1994 году, он осмелился сделать дерзкое предположение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки. Как-то клетка все же появилась И вот, его гипотеза стала очень сложной и отошла от чистого подхода «сперва компартментализация». Но у Луизи были веские доводы.
Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов. Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части. Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз. Почти вся жизнь одноклеточная «Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак. Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему». В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира.
Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей. Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками. Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе. Везикулы — это простые контейнеры, состоящие из липидов Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент.