Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира. Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК. Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК.
РНК у истоков жизни?
| Ученые нашли новые доказательства РНК-мира - Москва NEWS | Ранее считалось, что на Земле способная к размножению жизнь возникла на основе РНК-молекул (так называемая, гипотеза РНК-мира). |
| Тайна появления жизни на Земле - | Биохимик Р. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка. |
| 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. |
| Решена главная проблема появления жизни на Земле | Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения. |
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
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.
Кэрнс-Смит утверждал, что для того, чтобы достичь количества молекул, необходимого для возникновения жизни, процесс построения нуклеиновых кислот должен соблюдать 18 автономных условий между ними в течение нескольких миллионов лет. Мир РНК в деталях Механизмы синтеза пребиотической РНК Гипотеза предполагает наличие в первичном бульоне нуклеотидов, способных легко образовывать химические связи между собой и с такой же вероятностью разрывать эти связи благодаря малой энергии, необходимой для таких событий. В этой среде некоторые последовательности оснований, обладающие каталитическими свойствами, могли бы усиливать образование последовательностей с идентичными характеристиками именно благодаря каталитической активности, способной снижать энергию, необходимую для образования таких последовательностей. Главным последствием образования этих последовательностей было бы то, что производство нитей РНК стало бы явно более выгодным, чем их разрыв.
Эти последовательности считаются самыми ранними, примитивными формами жизни. Только наиболее эффективные с точки зрения катализа и самовоспроизведения выжили бы, чтобы развиться и сформировать современную РНК. Конкуренция между РНК, возможно, способствовала возникновению кооперации между различными цепями, тем самым прокладывая путь для первых протоклеток. В пределах этого набора РНК некоторые, возможно, развили способность катализировать образование пептидной связи с эволюционно выгодным последствием способности генерировать вспомогательные пептиды для каталитической активности рибозимов.
Точно так же все другие химические молекулы, которые характеризуют его сегодня, такие как ДНК, липиды или углеводы , также могли быть вовлечены в процесс формирования жизни. Другие предположения Существует другая версия гипотезы, называемая гипотезой преРНК-мира. Согласно этой теории, до РНК существовала другая нуклеиновая кислота. Среди предложенных есть, прежде всего, ПНК , более стабильная, чем РНК, и более легкая для синтеза в пребиотических условиях в которых образование рибозы и присоединение фосфатных групп, отсутствующих в ПНК, определенно проблематично.
По данной гипотезе, первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, способные размножаться без участия белковых ферментов. Исследователи столкнулись с проблемой - как такая молекула могла появиться из предшественников, не обладающих каталитической активностью. Источник фото: Фото редакции Однако было установлено, что рибозим, способный расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно благодаря нескольким консервативным элементам. Чтобы понять, как эта функция сохранилась в процессе эволюции, исследователи разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК.
Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, который исследователям удалось детально реконструировать. 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. Предполагается, что такая структура возникла в результате дупликации удвоения одной исходной лопасти. Методом искусственной эволюции были получены функциональные РНК рибозимы , способные катализировать транспептидацию. Структура этих искусственно выведенных рибозимов очень близка к структуре той проторибосомы, которую «вычислили» авторы. 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. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала. После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка. Взамен гипотезы «вначале была РНК», он предлагает гипотезу «вначале был метаболизм», то есть возникновение комплексов химических реакций — аналогов метаболических циклов — с участием низкомолекулярных соединений, протекающих внутри компартментов — пространственно ограниченных самопроизвольно образовавшимися мембранами или иными границами раздела фаз — областей. Эта концепция близка к коацерватной гипотезе абиогенеза, предложенной А.
Она добавила, что несмотря на то, что исследование «умное» и «не совсем невозможное», существуют «другие, лучшие гипотезы относительно мест возникновения жизни и пребиотических молекул». Ранее английские химики воссоздали возможный механизм образования РНК у истоков жизни. На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc.
Обнаружены новые доказательства РНК-мира
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.
Тем не менее, найти доказательства в пользу того, что РНК могла выполнять обе эти функции, гораздо сложнее. 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.
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. У Кришнамурти теперь есть экспериментальные доказательства, чтобы продемонстрировать, что жизненный процесс на Земле мог начаться с молекул, которые выглядели как смесь РНК и ДНК.
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.
ELife: выявлено самовоспроизведение молекул, подтверждающее гипотезу РНК-мира
| Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира | «Я убежден, что гипотеза РНК-мира неверна», -говорит профессор отделения растениеводства (University of Illinois crop sciences) и Института геномной биологии. |
| Обнаружены новые доказательства РНК-мира – Земля - Хроники жизни | Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул. |
| Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий | 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. |
| Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии | В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок. |
22-M. «Мир РНК» . ПРОСТЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ТВОРЦА
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». Строение РНК Типы РНК Гипотеза РНК мира. Основной гипотезой о появлении ДНК и первых клеток в настоящее время является гипотеза РНК-мира, согласно которой сначала происходило образование молекул РНК. Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и.
РНК у истоков жизни?
| Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира | Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. |
| Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле | РНК постепенно превратилась в постоянно совершенствующийся катализатор связывания аминокислот Эта связь между РНК и пептидами или белками сохранилась и по сей день Таким образом, мир РНК-пептидов решает проблему курицы и яйца». |
| Ученые нашли новые доказательства РНК-мира - Москва NEWS | Хотя гипотеза мира РНК восторжествовала, некоторые ученые были с ней не согласны. |
| Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации – | Результаты исследования, которое фактически доказывает гипотезу существования РНК-мира, опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). |
Ученые описали, как появилась РНК
В рамках своего проекта ученые поставили под сомнение достоверность гипотезы РНК-мира. Хотя гипотеза мира РНК восторжествовала, некоторые ученые были с ней не согласны. Новости по тэгу. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК. Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena, которая способна к автосплайсингу.
Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле
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. Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». 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.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
Исследование, опубликованное в журнале eLife, представляет собой модель, которая имитирует случайное разрушение простых РНК-молекул. В ходе экспериментов возникали короткие цепочки РНК, способные служить затравками для синтеза более длинных молекул. Этот процесс приводил к формированию большого количества копий исходного полимера, подобно процессу регенерации у червей, разделенных на части. В дополнение к этому, ученые разработали вторую модель, в которой добавляли способные к самообразованию рибозимы к пулу РНК-цепочек.
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.
Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в каталитическом центре рибосом белковых структур нет совсем, что он полностью построен из РНК! Оказалось, что все ключевые стадии биосинтеза белка осуществляются молекулами РНК. Точка в дискуссии о возможности существования «мира РНК» как особой стадии биологической эволюции была поставлена. Конечно, полную картину еще предстоит реконструировать — осталось много нерешенных вопросов. Например, в современной клетке активацию аминокислот и их присоединение к соответствующим тРНК осуществляют специфичные белки-ферменты. Возникают вопросы: могла ли эта реакция осуществляться без участия белков, только с помощью РНК? В общем-то, после открытия рибозимов такие потенциальные способности РНК уже не вызывали особых сомнений.
Но наука требует, чтобы гипотезы экспериментально подтверждались. Дарвиновская Эволюция в Пробирке Хороший метод зачастую позволяет осуществить революцию в науке. Именно так можно сказать о методе полимеразной цепной реакции ПЦР , который позволяет размножать нуклеиновые кислоты в неограниченных количествах. Кратко опишем суть метода. Затем, при охлаждении, с ними связываются праймеры, образуя короткие фрагменты спиральных структур. В результате реакции из одной двуцепочечной ДНК получается две. Если повторить процесс, получится четыре цепочки, а после n повторений — 2nмолекул ДНК.
Все очень просто. Изобретение ПЦР и разработка методов химического синтеза ДНК позволили создать потрясающую технологию молекулярной селекции. Принцип молекулярной селекции тоже прост: сначала синтезируется множество молекул, обладающих разными свойствами так называемая молекулярная библиотека , а затем из этой смеси отбираются молекулы с желаемым свойством.
Рибонуклеиновая кислота В современной биохимии рибонуклеиновая кислота РНК играет двойную роль посредника между носителем информации ДНК и каталитическими полипептидами: РНК-полимераза направляет полимеризацию цепи информационной РНК , следуя составу последовательности ДНК, затем рибосомы, направляет полимеризацию. Эта вторая трансляция основана на семействе транспортных РНК , которые обеспечивают аминокислоту, совместимую с последовательностью процессируемой информационной РНК. Перед образованием белков живые клетки содержат около двадцати семейств транспортной РНК , каждое из которых специфично для одной из аминокислот ; рибосомы обеспечивает декодирование РНК путем сборки аминокислоты в указанном порядке с помощью матричной РНК.
РНК - это линейный полимер, состоящий из цепочки нуклеотидов. В РНК обнаружены четыре нуклеиновых основания: аденин , гуанин , цитозин и урацил. РНК имеет много общего с ДНК с некоторыми важными отличиями: структурно РНК менее химически стабильна; функционально РНК чаще всего встречается в клетках в одноцепочечной, то есть одноцепочечной форме; наконец, молекулы РНК, присутствующие в клетках, короче, их размер колеблется от нескольких десятков до нескольких тысяч нуклеотидов. Большинство встречающихся в природе РНК присутствуют в клетке в одноцепочечной одноцепочечной форме. Подобно белкам , цепи РНК чаще всего сворачиваются сами по себе, образуя внутримолекулярную структуру, которая может быть очень стабильной и очень компактной. Описание внутренних пар между основаниями РНК называется вторичной структурой.
В основе этой структуры лежит формирование внутренних пар между дополнительными основаниями: A с U , G с C и, иногда, G с U. В 1980-х Том Чех и Сидни Альтман независимо друг от друга обнаружили, что определенные РНК, позже названные рибозимами , могут действовать как катализаторы, подобно белкам. Это неожиданное открытие принесло Чеху и Альтману Нобелевскую премию по химии в 1989 году. В 1990 году Ларри Голд и Джек Шостак разработали метод управления эволюцией РНК, чтобы выбрать те, которые проявляют каталитическую активность. С тех пор им удалось получить рибозимы, способные связывать нуклеотиды вместе, связывать аминокислоты с РНК, выполнять окислительно-восстановительные реакции , связываться с компонентами мембран и т. РНК также может вести себя как рибозим сокращение рибозы и фермента и катализировать определенные реакции, как и ферменты.
Таким образом, с точки зрения воспроизводства, эта молекула выполняет две важные функции: хранение информации и катализ, необходимый для самовоспроизведения. Таким образом, рибосома является рибозимом в том смысле, что человек, ответственный за синтез белка, является не белком как это имеет место в подавляющем большинстве случаев катализа живой клетки , а его рибосомной РНК - даже. Эти рибозимы могут складываться в пространстве, открывая активный сайт для катализа, как и белки. Томас Чех указал, что РНК может быть первой реплицирующейся молекулой благодаря своим каталитическим и автокаталитическим свойствам: Структура РНК является основой богатства своих обязанностей, и , в частности , их способность катализировать в реакции химические рибозимы ; и наоборот, относительно жесткие правила спаривания между основаниями РНК позволяют транскрибировать цепь в ее негативе, а с помощью новой транскрипции сделать возможным дублирование оригинала. Следовательно, теоретически возможно, что на этой модели одной РНК достаточно для установления примитивного метаболизма. В рибозимы будучи в состоянии обеспечить как роль поддержки генетической информации и катализатора, что позволило преодолеть парадокс, предлагая , что РНК -единственный предшественника, который был предложен в 1986 году Уолтером Гилбертом , со-изобретателя секвенирования ДНК.
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. Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки. Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так. За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни. Кусок монтмориллонита Монтмориллонит — это обычная глина.
В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают. Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой. Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита. Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК. Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий. И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток.
Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе. Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому. Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение. Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя? Клетки делятся на два Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть.
Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки. Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия. Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки. В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука.
Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать. Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток. Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблему, похоже, решили. В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться. Но все равно протоклеткам многого недоставало. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться. В будущем мир ожидает спад рождаемости.
Что это значит для человечества? Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить. Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки. Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК.
Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле
Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). гипотеза, с которой срослась проблема внезапного (для учёных особенно) возникновения жизни на совсем молодой, не оформившейся, подвергающейся. 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». В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок.