РНК могла помочь аминокислотам соединиться без уже существовавших белковых механизмов, предполагает новое исследование.
Сегодняшняя жизнь зависит от белков - рабочих лошадок клеток, которые делают все, что угодно: от сгибания мышц до переправки кислорода. А белки, в свою очередь, зависят от РНК, которая несет в себе рецепты их создания, а также помогает в их сборке. В современных клетках крупные белковые ферменты помогают соединять фрагменты РНК с аминокислотами - строительными блоками белков. Затем клеточная машина на основе РНК и белков, называемая рибосомой, сшивает аминокислоты в белковую цепочку, считывая правильную последовательность с более длинной нити мессенджерной РНК. Но миллиарды лет назад, до эволюции ферментов и рибосомы, как могли возникнуть первые белки жизни?
Исследователи утверждают, что теперь они нашли правдоподобный путь, по которому РНК и аминокислоты могли объединяться в пары для сборки небольших белков, без помощи сложных ферментов или рибосом. Работа, опубликованная на днях в журнале Nature, дает представление о том, как РНК могла помочь сформировать первые простые белки - событие, которое могло стать основой для эволюции. «Это первый шаг к тому, чтобы информационные молекулы жизни могли кодировать пептиды», - считает Мэтью Паунер, химик из Университетского колледжа Лондона, возглавивший исследование. Томас Карелл, химик из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана, говорит, что исследование «дает прекрасное представление об одной из больших загадок пребиотической химии».
В основе сотрудничества белка и нуклеиновой кислоты лежит процесс, с помощью которого РНК заставляет аминокислоты соединяться между собой. Аминокислоты не соединяются в белки естественным образом. Сначала их нужно химически «активировать», после чего они соединяются, как вагоны в поезде. Сегодня биология ускоряет этот процесс с помощью крупных ферментов, которые побуждают аминокислоты вступать в реакцию с клеточной энергетической молекулой АТФ. В результате образуется форма аминокислоты, которая может химически соединяться с РНК, создавая активированную комбинацию, известную как аминоацил-РНК. Только после этого эти соединения могут быть переданы рибосоме, которая отрезает кусочки РНК, соединяя аминокислоты в пептиды.
Начиная с 1970-х годов, многочисленные группы ученых пытались использовать различные химические стратегии для получения активированных аминоацил-РНК в условиях, имитирующих примитивную среду, подобную ранней Земле. Но, по словам Паунера, реакции, как правило, протекали плохо, если вообще протекали, и часто при этом получались соединения, нестабильные в воде, что говорит о том, что на ранней Земле они бы не сохранились. В надежде на успех Паунер и его коллеги обратились к богатому энергией соединению под названием пантетеин, которое участвует в многочисленных метаболических реакциях в клетках и могло образоваться в озерной воде на ранней Земле, о чем исследователи сообщали в прошлом году. В новом исследовании ученые добавили пантетеин в воду, содержащую аминокислоты. Аминокислоты вступили с ним в реакцию, образовав соединение, известное как аминоацил-тиол, которое было готово вступить в реакцию с РНК. «Это заставляет аминокислоты реагировать с РНК, а не друг с другом», - объясняет Моран Френкель-Пинтер, химик по происхождению жизни из Еврейского университета в Иерусалиме.
РНК может принимать две формы - одноцепочечной или двухцепочечной молекулярной спирали. Когда Паунер и его коллеги попытались провести реакцию аминоацилтиолов с одноцепочечной РНК, аминокислоты связывались с ней хаотично, по всей длине РНК. Но когда ученые использовали двухцепочечную РНК, более похожую на ту, что соединяется с аминокислотами в клетках, в результате реакции получились активированные аминоацил-РНК со структурой, соответствующей той, что обычно образуется ферментами. «Это весьма впечатляющее достижение», - считает Ник Лейн, специалист по химии происхождения жизни из Калифорнийского университета, не связанный с группой Паунера. «Это похоже на химию жизни, даже если она немного отличается».
Паунер и его коллеги пошли еще дальше. Когда они обогатили смесь сероводородом и соединениями, называемыми тиокислотами, которые, вероятно, также были в изобилии на ранней Земле, аминокислотные фрагменты аминоацил-РНК начали соединяться в пептиды, причем без участия ферментов или рибосом. Лейн предупреждает, что в результате новой работы все еще получаются пептиды со случайным расположением аминокислот, в отличие от генетически контролируемого упорядочивания, осуществляемого рибосомами. «Они все еще не решили эту проблему», - утверждает Лейн. Паунер соглашается с ним, но говорит, что нынешняя работа уже показывает, что некоторые РНК имеют небольшое предпочтение при взаимодействии с определенными аминокислотами, а не с другими. «Это только первый шаг», - подчеркивает он.
Но даже несмотря на это, Лейн считает, что новая работа помогает преодолеть разрыв между разными лагерями изучения происхождения жизни. На протяжении десятилетий одна группа исследователей подчеркивала центральную роль РНК, в то время как другая группа - так называемый лагерь «сначала метаболизм» - утверждала, что самоподдерживающиеся химические сети должны были появиться до того, как возникли самовоспроизводящиеся генетические молекулы, такие как РНК, чтобы использовать их. Новые доказательства того, что богатые энергией соединения сыграли ключевую роль в связывании аминокислот с РНК, говорят, что «вся эта область понемногу движется в одном направлении».
