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. Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул. В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок. Гипотеза мира РНК ставит РНК в центр внимания при зарождении жизни. Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов.
Приобщаем к делу пептиды
- Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии - YouTube
- Гипотеза мира РНК
- Ненаучно: Самозарождение
- Обнаружены новые доказательства РНК-мира – Земля - Хроники жизни
- Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле
Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». Новости о недвижимости, экономики и финансах в России. Это предположение называется гипотезой РНК-мира и пользуется поддержкой среди современных учёных.
Исследователи смешивают РНК и ДНК, чтобы изучить, как началась жизнь на Земле
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. В первую очередь ко второй части молекулярной догмы: как именно появилась крепкая связь между РНК и аминокислотами и как, наконец, появилась система синтеза белка? Предполагаемая схема «первоклетки» — РНК, окруженная билипидным мембранным слоем. Источник Но есть нюанс Гипотеза РНК имеет обширную доказательную базу и по праву считается одной из самых логичных и подходящих для объяснения формирования жизни. Но и у нее есть недостатки, или, вернее, вопросы, ответы на которые в рамках самой гипотезы найти сложно. Во-первых, РНК очень нестабильна, а время ее жизни крайне ограничено. Сложно представить себе «начало начал», способное распасться при малейших изменениях в окружающей среде.
РНК нуждается в ионах двухвалентных металлов, в основном в магнии, но при этом распадается при их слишком большой концентрации. РНК любит кислую среду, но практически не выдерживает щелочной. Во-вторых, много вопросов и к самому «случайному» синтезу. Да, сахара действительно могли быть занесены извне, и да, протонуклеотиды действительно могли быть синтезированы из «того, что было». Но вот представить себе синтез итоговой молекулы РНК сложно — слишком много условий должно было совпасть для этого та же рибоза если и была занесена из космоса, то явно в очень малых количествах. Экспериментально, впрочем, возможность соединения сахара и нуклеотида уже была показана, но ведь есть и третий участник — остаток фосфорной кислоты, и о его ранней судьбе данных пока нет. Всё это привело к тому, что из гипотезы РНК-мира возникла подгипотеза — пре-РНК-мира: в начале появились первичные метаболические компартменты-протоклетки, а потом уже в них пошел синтез реплицирующихся молекул РНК, где возникали все возможные варианты соединения трех участников, пока не был найден единственный верный. В-третьих, возникает вопрос о формировании протоклетки.
Да, мембрана очень полезна — она защищает хрупкую РНК, позволяя ей «жить» чуть дольше, чем просто в обычном растворе. Но точно так же она отделяет РНК от необходимых ей элементов — нуклеотидов и ионов.
Такой вывод сделал физик из Массачусетского технологического института Джереми Ингланд. Он рассчитал, сколько требуется энергии на воспроизводство жизни. Оказалось, что самовоспроизведение молекулы РНК термодинамически значительно проще и энергетически выгодней, чем молекулы ДНК. РНК - рибонуклеиновая кислота - играет важнейшую роль в жизнедеятельности всех живых организмов, участвуя в синтезе белков и образовании генетического материала.
Вначале "первородство" отдавали белкам, так как считалось, что без них вообще ничего не может появиться. Ведь одна ДНК сама по себе ничего не сделает. Что касается РНК, то ее вообще не замечали.
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].
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.
Долгое время считалось, что ферментами могут быть исключительно белки, и открытие рибозимов — РНК-ферментов — перевернуло представления науки о функциях РНК.
Обнаружили каталитическую активность практически случайно. Зачем в ферментах РНК? Белок и нуклеиновую кислоту «разделили» и… неожиданно отметили, что и лишенная белка РНК справлялась со своей каталитической функцией. Сначала биохимики подумали, что это ошибка, артефакт, оставшийся или занесенный извне белок — но и искусственно созданная РНК с той же последовательностью работала как фермент.
Стало понятно, что ферментативная активность больше не прерогатива белков. Дальше — больше. Помимо каталитической активности удалось обнаружить еще одно свойство — это регулирование экспрессии генов, то есть степени их проявления. Даже сейчас известны тысячи различных РНК, участвующие в подавлении активности гена на всех стадиях его проявления, от считывания ДНК до непосредственного белкового синтеза.
Причем оказалось, что интерферирующая РНК может быть даже… двухцепочечной. Простыми словами интерференцию можно объяснить так: маленькие молекулы РНК комплементарны тем генам, которые нужно заглушить или каким-то другим образом повлиять на их активность, и благодаря таким РНК-«ориентировкам» ферменты-киллеры могут найти уже синтезированную матричную РНК, то есть копию гена, по которой будет работать рибосома, и уничтожить ее. На самом деле механизм, конечно, сложнее, но смысл один — регуляция работы ДНК. Особенно часто такие РНК проявляют себя в различных процессах, направленных на защиту организма, — они устраняют опасность, уничтожая нуклеиновые кислоты патогенов.
Причем этот механизм достаточно древний — он есть у растений и даже, судя по всему, у одноклеточных, по крайней мере микроРНК у некоторых из них уже обнаружили. Итак, мы знаем, что РНК сама по себе крайне загадочна — она может и хранить информацию, и катализировать реакции, и буквально держать саму ДНК на поводке. Но как, если вокруг нет ничего, хотя бы отдаленно напоминающего нуклеиновые кислоты? Идея о том, что РНК может просто так взять и появиться буквально из ниоткуда, казалась смехотворной — однако была доказана лабораторно.
Для этого группа ученых под руководством Джона Сазерленда взяла не самые приятные вещи — сероводород и цианистый калий. Немного подержав их под ультрафиолетом, они получили… протонуклеотиды , маленькие кирпичики для создания нуклеиновых кислот. Более того, Сазерленд обнаружил возможность «самозарождения» некоторых аминокислот Пастеру бы этот вывод вряд ли понравился. Такая гипотеза возникновения РНК выглядит крайне привлекательной, хотя бы потому, что на свежесформированной планете, которая постоянно менялась и сталкивалась то с извержениями вулканов, то с метеоритами а они содержат довольно много цианида , этих трех ингредиентов было предостаточно.
А еще в метеоритах была найдена рибоза, углевод, входящий в состав РНК при этом дезоксирибозы, входящей в состав ДНК, в них так и не обнаружили , — соответственно, и она могла быть занесена извне. Но возникает следующий вопрос: допустим, в мире появилась РНК и первые аминокислоты — как перейти от этого супового набора к созданию чего-то более значимого? Молодой, ему всего 39 лет, профессор Карл Вёзе занимается делом всей своей жизни — молекулярной эволюцией. В какой-то момент Вёзе заметил, что маленькие РНК, участвующие в создании рибосом «машин» по сборке белка на основе генетического кода , — очень удобный материал для изучения мутаций и изменений, возникающих от вида к виду.
Это своеобразные хронометры, и Вёзе решил прибегнуть к ним для изучения филогенетических, то есть эволюционных, деревьев. Вообще-то Вёзе хотел опровергнуть довлеющую теорию о том, что археи суть изменившиеся бактерии.
Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации
В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. 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. Строение РНК Типы РНК Гипотеза РНК мира. С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул.
Навигация по записям
- ELife: выявлено самовоспроизведение молекул, подтверждающее гипотезу РНК-мира
- Ученые нашли новые доказательства РНК-мира - Коммерсант Россия
- Ученые нашли новые доказательства РНК-мира - Газета России
- Почему РНК не хватало
гипотеза "Мир-РНК"
Поскольку над проблемой происхождения жизни работают ученые из разных областей, каждый оперирует терминами близкой ему науки. Химики обязательно вспомнят слово «катализатор», математики — «информация». Биологи будут считать живой систему, содержащую вещество генетическую программу , которое может копироваться или, по-простому, размножаться. При этом необходимо, чтобы в ходе такого копирования могли происходить некоторые изменения наследственной информации и возникать новые варианты систем, т. Еще биологи обязательно заметят, что такие системы должны быть пространственно обособлены. Иначе возникшие более прогрессивные системы не смогут воспользоваться своими преимуществами, поскольку их более эффективные катализаторы и другие продукты будут беспрепятственно «уплывать» в окружающую среду. Каким же образом первые молекулярные системы были обособлены от окружающей среды? Колонии молекул могли, например, удерживаться вместе за счет адсорбции на какой-нибудь минеральной поверхности или пылевых частицах. Однако возможно, что уже самые примитивные системы располагали, подобно современным живым клеткам, настоящей мембранной оболочкой.
Это слово должно быть хорошо известно прекрасной половине наших читателей: липосомы широко используются в косметических кремах — крохотные жировые капсулы начиняются витаминами и другими биологически активными веществами. А вот чем были наполнены древние «протоклетки»? Оказалось, что на роль «начинки» претендуют именно РНК. РНК умеет все? Жизнь, без сомнения, должна была начаться с образования «умелых» молекул, которые могли бы сами себя размножать и выполнять все другие «хозяйственные работы», необходимые для существования клетки. Однако на роль таких умельцев не подходит ни ДНК, ни белок. Белки — непревзойденные катализаторы, но не могут работать в качестве «генетических программ». Но не будем забегать вперед.
Рассмотрим давно известные функции РНК, связанные с работой экспрессией гена в клетке. В результате сложных обработок ее специальными белками получается матричная РНК мРНК , которая и явля-ется программой для синтеза белка. Благодаря тРНК аминокислота фиксируется в каталитическом центре рибосомы, где она «пришивается» к синтезируемой белковой цепи. Из рассмотренной последовательности событий видно, что молекулы РНК играют ключевую роль в декодировании генетической информации и биосинтезе белка. Этот процесс, названный обратной транскрипцией, используют в ходе своего развития многие вирусы, в том числе печально известные онкогенные вирусы и ВИЧ-1, вызывающий СПИД. Таким образом, выяснилось, что поток генетической информации не является, как первоначально считалось, однонаправленным — от ДНК к РНК. Роль ДНК как изначально главного носителя генетической информации стала подвергаться сомнению. Тем более что многие вирусы гриппа, клещевого энцефалита и другие вообще не используют ДНК в качестве генетического материала, их геном построен исключительно из РНК.
А далее посыпались одно за другим открытия, которые заставили совершенно по-другому взглянуть на РНК. Прежде считалось, что катализировать реакции умеют только белки, ферменты. Ученые, например, никак не могли выделить ферменты, осуществляющие разрезание и сшивание некоторых РНК. После длительных исследований выяснилось, что РНК прекрасно справляются с этим сами. Структуры РНК, действующие подобно ферментам, назвали рибозимами по аналогии с энзимами, белками-катализаторами. Вскоре было обнаружено множество разнообразных рибозимов. Особенно широко их используют для манипулирования своими РНК вирусы и другие простые инфекционные агенты. Таким образом, РНК оказались мастерами на все руки: они могут выступать в роли носителей наследственной информации, могут служить катализаторами, транспортными средствами для аминокислот, образовывать высокоспецифичные комплексы с белками.
Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Ученые рассчитывали обнаружить там белок, катализирующий сшивание аминокислот в белковую последовательность.
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. Однако точность синтеза РНК оставалась недостаточно высокой, и лишь незначительная доля молекул лигазы, которые они синтезировали, обладала каталитической активностью. Авторы отмечали, что понадобится более строгий отбор, чтобы получить РНК-полимеразы с высокой точностью, которые смогли бы синтезировать более длинные молекулы.
В новой работе Джойс и соавторы получили РНК-полимеразы, способные синтезировать целую молекулу РНК-лигазы с достаточно низким уровнем ошибок. Стратегия эволюции, которая использовалась в эксперименте, аналогична вышеописанной. В этот раз РНК-полимераза синтезировала на матрице РНК-лигазу, а затем подвергалась обратной транскрипции, причем оставалась связанной со своим продуктом.
Источник фото: Фото редакции Другая модель включает спонтанно образующиеся рибозимы, которые при столкновениях разрезают полимерные цепочки, стимулируя их самовоспроизводство.
Репликация происходила за счет циклического изменения температуры, что поддерживало процесс размножения, как в циклах день-ночь. Исследователи также отметили, что неорганические поверхности, вроде камней, могли способствовать этому процессу, что открывает новые горизонты в понимании начал биологической эволюции на Земле.
Проблема в том, что ингредиенты, такие как ферменты, для работы Мира РНК просто не существовали на ранней Земле.
Мир РНК породил идею, что если вы каким-то образом синтезируете РНК, которая может реплицировать и катализировать реакции, все остальное автоматически следует. Часть проблемы заключается в том, что молекулы РНК образуют стабильные структуры, называемые дуплексами. Эти структуры обладают так называемым сильным сродством связывания.
Это означает, что молекулы РНК с трудом отделяются друг от друга и действуют как матрицы для дальнейшей репликации в отсутствие ферментов.
Ученые описали, как появилась РНК
Одной из главных теорий является гипотеза "РНК-мира", согласно которой первые формы жизни возникли благодаря РНК-репликазе, способной копировать себя и другие молекулы РНК. Главная/Биология/Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК". Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
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. Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь. и, возможно, единственной - формой жизни до появления первой ДНК- клетки.
гипотеза "Мир-РНК"
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.
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.
Железо могло сыграть гораздо более существенную роль в образовании жизни на Земле, чем предполагалось ранее.
Гипотеза мира РНК представляет собой одну из моделей биогенеза. В соответствие с ней предполагается, что до того, как ДНК эволюционировала и получила способность кодировать синтез белка, молекулы РНК вели себя и как кодирующие нуклеотиды и как биологический катализатор — предок ферментов. Тем не менее, найти доказательства в пользу того, что РНК могла выполнять обе эти функции, гораздо сложнее.
Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия — с изменчивым названием. Научно: Химическая эволюция Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента воду и углерод — NS в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные — прежде всего — к саморепликации. По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль.
На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса. Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции — такие как восстановление минерала пирита FeS2 водородом до сульфида железа и сероводорода. В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера — Юри. А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия. Молодая Земля не была защищена от вредных — и даже смертельно опасных — компонентов солнечного излучения. Даже современные, испытанные эволюцией организмы были бы неспособны выдержать этого жесткого ультрафиолета — притом что само Солнце было значительно моложе и не давало достаточно тепла планете.
Из этого возникла гипотеза о том, что в эпоху, когда творилось чудо зарождения жизни, вся Земля могла быть покрыта толстым — в сотни метров — слоем льда; и это к лучшему. Скрываясь под этим ледяным щитом, жизнь могла чувствовать себя вполне в безопасности и от ультрафиолета, и от частых метеоритных ударов, грозивших погубить ее еще в зародыше. Относительно прохладная среда могла также стабилизировать структуру первых макромолекул. Научно: Черные курильщики В самом деле, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой еще не содержала кислорода и не имела такой замечательной штуки, как озоновый слой, должно было быть убийственным для любой зарождающейся жизни. Из этого выросло предположение о том, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены существовать где-то, скрываясь от непрерывного потока стерилизующих все и вся лучей. Например, глубоко под водой — конечно, там, где имеется достаточно минеральных веществ, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись. Ближе к концу ХХ века стало ясно, что океанское дно никак не может быть пристанищем средневековых монстров: условия здесь слишком тяжелые, температура невелика, излучения нет, а редкая органика способна разве что оседать с поверхности.
Фактически это обширнейшие полупустыни — за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом. Насыщенная сульфидами черная вода горяча, активно перемешивается и содержит массу минералов. Черные курильщики океана — весьма богатые и самобытные экосистемы: питающиеся на них бактерии используют железосерные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой для вполне цветущей жизни, включая массу уникальных червей и креветок.
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. 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.
РНК у истоков жизни?
Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь. Ученые из Университета Иллинойса представили новые доказательства в поддержку гипотезы РНК-мира, которая является важной теорией о происхождении жизни на Земле. Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». Ученые из Университета Иллинойса представили новые доказательства в поддержку гипотезы РНК-мира, которая является важной теорией о происхождении жизни на Земле. Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами (рибозимами).
Смотрите также
- Исследователи смешивают РНК и ДНК, чтобы изучить, как началась жизнь на Земле
- Навигация по записям
- Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации
- ELife: выявлено самовоспроизведение молекул, подтверждающее гипотезу РНК-мира
- Обнаружены новые доказательства РНК-мира — Странная планета
- Кого Считать «Живым»?
Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК
РНК содержится в клетке и выполняет в ней разнообразные функции. В то же время было обнаружено, что некоторые РНК, которые получили название "рибозимы", могут выступать в роли белков и ускорять химические реакции. Получается, что РНК — это курица и яйцо одновременно.
Стратегия эволюции, которая использовалась в эксперименте, аналогична вышеописанной. В этот раз РНК-полимераза синтезировала на матрице РНК-лигазу, а затем подвергалась обратной транскрипции, причем оставалась связанной со своим продуктом.
Если РНК-лигаза, которую синтезировал данный вариант РНК-полимеразы, была функциональна, то она сшивала разрыв, и вся конструкция могла быть выделена с помощью бусин со стрептавидином. К сожалению, мы не можем показать эту иллюстрацию, так как статья закрытая. В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью. Лучше всего показал себя рибозим, отличающийся от ранее полученного варианта десятью точечными мутациями и обозначенный 71-89 для его получения потребовался в общей сложности 71 раунд эволюции.
Затем авторы сравнили новую высокоточную РНК-полимеразу и РНК-полимеразу с низкой точностью по способности синтезировать hammerhead и проводить раунды его эволюции. Процесс был организован так же, как в эксперименте 2020 года: о качестве полимеризации говорила способность готовой РНК-структуры к саморасщеплению, соответственно, успешные молекулы hammerhead «проходили в следующий тур» и становились матрицами для синтеза новых копий. Полимераза с низкой точностью могла поддерживать каталитические свойства субстрата лишь в течение нескольких поколений.
В этот раз РНК-полимераза синтезировала на матрице РНК-лигазу, а затем подвергалась обратной транскрипции, причем оставалась связанной со своим продуктом. Если РНК-лигаза, которую синтезировал данный вариант РНК-полимеразы, была функциональна, то она сшивала разрыв, и вся конструкция могла быть выделена с помощью бусин со стрептавидином. К сожалению, мы не можем показать эту иллюстрацию, так как статья закрытая. В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью. Лучше всего показал себя рибозим, отличающийся от ранее полученного варианта десятью точечными мутациями и обозначенный 71-89 для его получения потребовался в общей сложности 71 раунд эволюции.
Затем авторы сравнили новую высокоточную РНК-полимеразу и РНК-полимеразу с низкой точностью по способности синтезировать hammerhead и проводить раунды его эволюции. Процесс был организован так же, как в эксперименте 2020 года: о качестве полимеризации говорила способность готовой РНК-структуры к саморасщеплению, соответственно, успешные молекулы hammerhead «проходили в следующий тур» и становились матрицами для синтеза новых копий. Полимераза с низкой точностью могла поддерживать каталитические свойства субстрата лишь в течение нескольких поколений. Высокоточная полимераза не только справилась с этой задачей на протяжении восьми раундов, но и создала молекулы, превосходящие стартовый вариант по «приспособленности» интересно, что они могли хуже разрезать сами себя, но лучше копировались полимеразой.
Отмечается, что в современных организмах правильная репликация происходит с помощью ферментов, которых, в свою очередь, не было до появление первых живых клеток. Таким образом, вещество диамидофосфат способствовало соединению рибонуклеозиды в длинные цепочки, совершая эти же действия по отношению к ДНК.