и, возможно, единственной - формой жизни до появления первой ДНК- клетки. Ученые из Университета Иллинойса представили новые доказательства в поддержку гипотезы РНК-мира, которая является важной теорией о происхождении жизни на Земле. Гипотеза РНК-мира заключается в том, что первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, которые могли инициировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов.
Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
Фосфодиэфирные связи между нуклеотидами наиболее стабильны при рН, лежащих в пределах 4—5. Выше упоминалось, что молекулы РНК наиболее стабильны в кислой среде. В этих условиях цитозин и аденозин протонируются, тем самым обретая дополнительный положительный заряд, что снижает потребность в катионах. РНК является весьма сложной молекулой, и вероятность её внезапного возникновения из отдельных атомов или фрагментов крайне низка. Действительно, сложно себе представить, как могли соединиться вместе азотистое основание, рибоза и фосфат, образовав нуклеотид.
Однако Санчез, Оргел, Паунер и Сазердэнд показали возможность синтеза пиримидинов из молекул, вероятно, имевшихся в пребиотических условиях Земли [3]. Также важно понять, каким образом осуществлялась полимеризация первых нуклеотидов в полимерные цепочки. Относительна недавно была обнаружена важная роль различных минералов и ионов металлов в катализе при образовании биополимеров [4]. Более того, монтмориллонит способен образовывать везикулы из простых жирных кислот [4].
Таким образом, этот минерал, с одной стороны, способствует полимеризации нуклеотидов, а с другой — образованию мембранных структур. Гипотетически, существует множество вариантов соединения рибонуклеотидов друг с другом через различные атомы рибозы. Зачастую каталитической активностью обладают лишь длинные цепочки РНК. Это один из основных объектов критики теории РНК-мира, ибо случайное возникновение длинных последовательностей, способных выполнять биохимическую работу, весьма маловероятно.
Одна из лучших рибозимных репликаз, созданных на сегодня, способна реплицировать до 95 нуклеотидов [6] , однако сама она при этом имеет длину в 190 нуклеотидов см. Длина этой последовательности слишком велика для спонтанного возникновения в пребиотических условиях. Исследования in vitro показывают, что для выделения молекул, способных к катализу, требуется около 1013—1014 молекул РНК [2] — довольно много для того, чтобы столь длинный рибозим мог появиться в готовом виде. Однако открытие коротких рибозимов ставит под сомнение идею того, что для появления РНК-катлизаторов требуются астрономические количества молекул.
В самом деле, получены полирибонуклеотиды c активными дуплексами, способными к самовырезанию, имеющие длину лишь 7 остатков [2]. Более того, были получены данные, что даже рибозим, урезанный всего лишь до пяти нуклеотидов, сохранял свои ферментативные способности [2]. Но каталитическая активность у минирибозимов значительно ниже, чем у их более длинных «собратьев». Из этого следует, что короткие рибозимы могли быть эволюционными предшественниками длинных.
Рибозимные репликазы Для того, чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах рибозимы с таким видом активности не обнаружены, однако подобные молекулы были созданы искусственно. Молекулярные биологи из Великобритании обратили внимание на ранее известный рибозим R18, обладающий полимеразной активностью [6]. Он и стал объектом эксперимента: путём искусственной эволюции и разумного планирования из исходного рибозима были получены четыре новые молекулы с улучшенными каталитическими свойствами [7].
Дело в том, что исходный рибозим R18 обозначен на картинке буквой А был способен реплицировать лишь фрагменты РНК длиной до 20 нуклеотидов. Также им могла быть реплицирована далеко не каждая последовательность РНК, а лишь узкий круг определённых матриц [7]. Учёные пошли двумя путями: в одной серии экспериментов они пытались увеличить число оснований РНК, реплицируемых рибозимом. В результате были получены четыре новых рибозима с улучшенными свойствами.
Один из них — рибозим С19, который учёные смогли усовершенствовать далее. Так был получен ещё более эффективный рибозим tC19 на рисунке под буквой С. В другой серии экспериментов учёные смогли получить рибозим, чья полимеразная активность не так сильно зависела от нуклеотидной последовательности РНК-матриц [7]. В результате, полезные свойства рибозимов tC19 и Z удалось объединить в одном, названном tC19Z.
Данный рибозим способен копировать как довольно широкий круг матриц, так и достаточно длинные последовательности [7]. Интроны, способные вырезаться самостоятельно, были обнаружены в тирозиновой тРНК таких сложных организмов, как человек и цветковое двудольное растение Arabidopsis thaliana. Эти 12-ти и 20-ти нуклеотидные участки в клетке вырезаются путём сплайсинга с участием белков, однако этот интрон показал способность вырезать самого себя и без участия ферментов. РНК-переключатели Ограниченная каталитическая способность рибозимов часто становится ещё одним хлипким краеугольным камнем теории мира РНК.
Критики теории считают, что тот минимум химических реакций, который необходим для осуществления метаболизма в мире РНК, не может быть обеспечен одними лишь рибозимами. Подавляющее большинство РНК-катализаторов катализируют лишь разрыв и создание фософодиэфирных связей между нуклеотидами. Кажется, что молекулы РНК со своими четырьмя весьма схожими мономерами безнадёжно проигрывают в химическом разнообразии белкам, которые имеют в своём составе 20 аминокислот, весьма различных по свойствам. Однако не стоит забывать, что многие белковые ферменты для выполнения активной работы должны присоединить лиганды — кофакторы , — без которых ферментативная активность попросту исчезает.
И здесь стоит вспомнить об РНК-перключателях или рибопереключателях англ.
Под воздействием УФ-излучения в присутствии неорганического фосфата процесс завершается образованием рибонуклеотида 1. Коллеги ученых по достоинству оценили результаты их работы. Полная версия отчета ученых опубликована в журнале Nature. Подготовлено по материалам Physorg.
Затем часть их переносилась в новую среду, богатую субстратом, где это повторялось. За 3 суток каталитическая активность молекул за счёт всего 11 мутаций увеличилась в 90 раз. Они развились потом в ходе эволюции под действием естественного отбора. В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета, изучив основную составляющую рибосомы, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза. Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre , ответственный за транспептидацию синтеза белка. Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной к тому блоку, который при отрыве разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, реконструированном исследователями.
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. Впоследствии эту идеи развили другие ученые.
Копирование других молекул РНК
- Содержание
- Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
- Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
- Комментарии
- Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК"
Они служат катализаторами при расщеплении и сшивании других молекул РНК. У рибозимов есть интересная особенность: максимум их активности приходится на низкие температуры. То есть они фактически обеспечивают низкотемпературный катализ. Первые рибозимы, обнаруженные Альтманом и Чеком в 1982-1983 гг, были не особенно эффективны: они лишь разрезали и соединяли отдельные фрагменты целых молекул РНК. Однако дальнейшие исследования продемонстрировали, что эти ферменты могут катализировать и другие реакции. Джек Шостак, экспериментируя с модифицированными рибозимами, сумел выделить катализатор, способный соединять друг с другом короткие цепочки нуклеотидов.
При этом использовалась энергия трифосфатных химических групп — тех самых соединений, которые и сегодня обеспечивают энергией биохимические реакции. Это обстоятельство подтвердило идею, что рибозимы могут функционировать сходным образом с современными белковыми ферментами. У ряда видов примитивных эукариот Tetrahymena thermophila и др. Такие интроны встречаются также в генах рРНК митохондрий, хлоропластов, дрожжей и грибов, однако они не выявлены в генах позвоночных животных. Изучение процессинга 26S рРНК тетрахимены аналог 28S рРНК высших эукариот , выполненное Чеком и сотрудниками, привело к открытию особого вида сплайсинга, осуществляемого без участия каких-либо белков и получившего название аутосплайсинг сплайсинг типа I.
Таким образом была открыта аутокаталитическая функция РНК и положено начало изучению рибозимов. Таким образом в результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК. Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуется РНК длиной 376 нуклеотидов L-19 IVS , которая и представляет собой истинный РНК-фермент рибозим , обладающий каталитическими свойствами. Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК.
Схема аутосплайсинга у тетрахимены и процесс образования рибозима Оказалось также, что рибозим L-19 IVS помимо нуклеазной обладает invitro нуклеотидилтрансферазной полимеразной активностью и способен катализировать синтез олигонуклеотидов олиго-С. Это указывает на возможность аутокаталитической репликации РНК и является одним из важных свидетельств в пользу существования «мира РНК». В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности у тетрахимены это последовательность GGАGGG , называемые адапторными последовательностями, которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК. Детальные исследования природных РНК-ферментов послужили мощным стимулом к моделированию и синтезу рибозимов заданного строения. Такие рибозимы стали называть минизимами.
Вскоре после открытия рибозимов Т. Чеком в одной из своих работ Ф. Крик писал: «Эти эксперименты по каталитической РНК поддерживают гипотезу, что биохимия РНК предшествовала традиционной биохимии, основанной на нуклеиновых кислотах и белках». А Белозерский в 1957 году писал: «Нет никаких сомнений, что в процессе развития органического мира нуклеиновые кислоты играли значительную роль. Нам представляется, что возникновение рибонуклеотидов и затем РНК было первичным.
ДНК возникла значительно позже и параллельно с усложнением функций и все большей дифференциацией протоплазмы». Теперь можно было предположить, что молекулы РНК могли бы обходиться не только без ДНК как генетического вещества, но и без белков для осуществления катализа важных синтетических и метаболических реакций. Идея древнего безбелкового мира РНК как возможного предшественника современной жизни на Земле была окончательно сформулирована в 1986 г. В настоящее время гипотеза о том, что жизнь начиналась с молекул РНК и их ансамблей, является общепринятой. Таким образом, термин «мир РНК» широко используется теперь для обозначения древней, пребиотической ситуации на Земле, имевшей место около 4 млрд.
Таким образом, согласно существующим представлениям, в древнем мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные вышеперечисленные функции. Однако вопрос о возникновении такого мира на Земле — один из самых трудных в науке о происхождении жизни. Можно предполагать, что первичные олигорибонуклеотиды возникали из абиогенно вне организма без участия ферментов образующихся монорибонуклеотидов или их активированных производных путем полимеризации на поверхностях глин и глиноподобных минералов. Возможно также, что был этап, предшествующий химической эволюции нуклеотидоподобных и олигонуклеотидоподобных соединений. В любом случае, появление олигорибонуклеотидов должно было быть отправной точкой появления мира РНК.
Однако для дальнейшего развития было необходимо, чтобы абиогенный синтез олигорибонуклеотидов, основанный на редких случайных событиях, был дополнен постоянным механизмом, который мог бы генерировать варианты этих олигомеров и удлинять их при сильной тенденции к их спонтанной химической и физической деструкции. Элонгация коротких олигорибонуклеотидов в полирибонуклеотиды представляется абсолютно необходимым условием для образования компактно свернутых структур со свойствами специфического узнавания лигандов и каталитическими активностями, а генерация вариантов в популяции абиогенных олиго- и полирибонуклеотидов требуется для того, чтобы дать возможности для случайного возникновения нужных функциональных, в том числе каталитических, активностей. В течение долгого времени не было предложено сколько-нибудь удовлетворительного решения этой проблемы. Около 10 лет назад А. Четвериным и сотрудниками был разработан метод молекулярного клонирования РНК: из единичных молекул РНК, помещенных на поверхность геля, содержащего катализатор репликации в данном случае вирусную РНК-зависимую РНК-полимеразу и рибонуклеозидтрифосфаты, оказалось возможным выращивать колонии молекул РНК, идентичных исходной молекуле.
Позднее метод был применен для регистрации единичных событий, происходящих внутри популяции РНК в растворе, и была впервые экспериментально показана способность молекул РНК к спонтанной перестройке их нуклеотидных последовательностей в отсутствие каких-либо ферментов и рибозимов. Открытая спонтанная реакция характеризовалась следующими особенностями. Во-вторых, эти перестройки не специфичны по отношению к последовательности и могут происходить в любом месте цепей. Скорость спонтанных перестроек невелика — одно событие в час на миллиард нуклеотидов; это означает, что 0. Появление достаточно длинных полирибонуклеотидов и генерация вариантов за счет спонтанных цис- и транс-перестроек должны были привести к случайному появлению рибозимов, и критическим этапом должно было стать возникновение в популяции РНК рибозима, катализирующего процесс комплементарной репликации РНК.
Это — принципиальное условие для того, чтобы размножить — амплифицировать — единичные молекулы случайно возникших в популяции вариантов и сохранить их для эволюции. С появлением таких рибозимов — хотя бы одной молекулы на популяцию молекул РНК в каком-то небольшом водоеме — мир РНК обрел свою сущность как самосохраняющаяся и развивающаяся материя на древней Земле. Скорее всего это были мелкие водоемы и лужи «Дарвиновские пруды» , где могли концентрироваться абиогенно возникающие органические вещества; океанские просторы вовсе не годились для этого. Впрочем, как полагает большинство геологов и палеонтологов, в то время океаны на Земле, по-видимому, еще и не существовали. Присутствие РНК-репликазной активности в водной среде РНК-содержащей лужи или пруда давало в результате эффект амплификации всех олиго- и полирибонуклсотидов этого водоема, то есть рост общей популяции молекул РНК.
Однако на этом этапе еще не могло быть никакого отбора «лучших» и, стало быть, никакой биологической эволюции. Дело в том, что в таком случае эффективный РНК-реплицирующий рибозим, присутствующий в луже, одинаково хорошо должен был амплифицировать как редкие молекулы РНК, обладающие какими-либо полезными для популяции свойствами например, свойством адсорбировать из среды различные субстраты или катализировать синтез нужных веществ , так и основную массу неактивных, балластных молекул РНК. Чтобы естественный отбор начал работать, необходима была какая-то форма компартментализации, обособления отдельных ансамблей РНК, в которых рибозимы и их продукты удерживались бы вместе. Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга. Лучшие обособленные ансамбли РНК — первозданные особи — должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших.
Четвериным и сотрудниками экспериментально показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других влажных твердых средах, если на этих средах им предоставлены условия для репликации. Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях и могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции репликацию молекул РНК всего ансамбля , а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК. Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами — своим генетическим материалом. Таким путем могли образовываться смешанные колонии РНК с различными функциональными активностями. Такой ансамбль молекул РНК в виде смешанной колонии мог успешно существовать и расти, если он включал в себя лиганд-связывающие РНК для избирательной адсорбции и аккумуляции необходимых веществ из окружающей среды, набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза нуклеотидов и их активированных фосфорилированных производных, и рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии.
Наиболее серьезным следствием компартментализации РНК в форме смешанных колоний было появление механизма естественного отбора: колонии с РНК, более активными и более подходящими друг другу функционально дополняющими друг друга , могли расти быстрее и тем самым «перерастать» другие колонии, вытеснять их. Таким образом, образование компартментализованных ансамблей функционально дополняющих друг друга РНК в качестве особей, способных расти и конкурировать друг с другом, представляется вероятным, даже в отсутствие окружающих их мембран или оболочек другого типа, и даже без четкой границы раздела. Заключение Таким образом мог возникнуть «мир РНК», где РНК выступает как самодостаточная молекула, сочетающая в себе генотип и фенотип одновременно и способная к эволюционному развитию благодаря рекомбинации и каталитическим способностям. Ключевым ферментом этого мира должен быть фермент РНК-репликаза, способный осуществлять аутокаталитическую репликацию РНК. Существует несколько аргументов в пользу того, что РНК представляет собой первичную молекулу — носитель жизни.
Известна способность РНК нести генетическую информацию. Это в полной мере свойственно ныне существующим РНК-содержащим вирусам. Доказано также, что вирусные РНК способны к рекомбинации, в которую могут вовлекаться как вирусные, так и клеточные РНК. Широко известны ставшие уже классическими результаты опытов Г.
Стоит отметить, что ученые, не участвовавшие в исследовании, ставят под сомнение достоверность условий, созданных для исследования. Фрэнсис Уэстолл, директор группы экзобиологии в Центре молекулярной биофизики французского Национального центра научных исследований в Орлеане, отмечает, что формирование оснований требует очень специфических условий. Смеси должны были бы высыхать и подвергаться воздействию ультрафиолетового света — это могло случиться на суше, которая на Земле более четырех миллиардов лет назад была в дефиците. Она добавила, что несмотря на то, что исследование «умное» и «не совсем невозможное», существуют «другие, лучшие гипотезы относительно мест возникновения жизни и пребиотических молекул».
Разберём данный механизм подробнее. Ген metE кодирует фермент, превращающий гомоцистеин в аминокислоту метионин. Затем метионин используется уже другим ферментом для синтеза S-аденозилметионина или проще — SAM. Помимо гена metE, существует и другой ген — metН. Белок гена metН катализирует ту же реакцию, но с большей эффективностью, чем metE. Однако metН для своей работы требует кофермент — метилкобаламин или MeCbl , синтезируемый из аденозилкобаламина или AdoCbl. То есть, для выключения metE достаточно связывания с рецепторами рибопереключателя либо одной из эффекторных молекул, либо сразу обеих. Сам механизм прерывания трансляции основан на образовании шпильки путём удаления шести нуклеотидов из рибопереключателя рис. Логику действий такого элемента NOR можно описать так: «Я подавляю транскрипцию, если в среде присутствует либо вещество А, либо вещество В, либо оба вещества сразу». Остаётся только удивляться, сколь красивы и элегантны решения Природы! Рисунок 1. Работа рибопереключателей. А — Рибопереключатели на транскриптах генов metE, metH и metK. Голубым обозначены шпилечные структуры, образуемые в результате вырезания шести или более уридиновых нуклеотидов. Видно, что у metE имеется два акцепторных и два шпилечных участка. В — Путь биосинтеза S-аденозилметионина. На первом этапе гомоцистеин преобразуется в амикислоту метионин. Это превращение может быть катализировано одним из двух ферментов: metE или metH. На втором этапе фермент metK превращает метионин в S-аденозилметионин. Между тем, РНК-переключатели способны связывать значительное число белковых кофакторов, таких как флавинмононуклеотид, тиаминпирофосфат, тетрагидрофолат, S-аденозилметионин, аденозилкобаламин [8]. Изначально считалось, что РНК-переключатели способны лишь подавлять экспрессию генов [8] , но позже были получены данные, свидетельствующие о том, что некоторые переключатели, напротив, ее усиливают. Сами по себе РНК-переключатели представляют весьма интересное явление, так как они демонстрируют возможность регуляции работы генов без прямого участия белков — иными словами, демонстрирует самодостаточность и универсальность РНК. Судя по всему, РНК-переключатели являются очень древним механизмом: так, они обнаружены во всех доменах живой природы: у бактерий, архей и эукариот [8]. Похоже, что, по меньшей мере, некоторые из современных кофакторов белков были прямиком заимствованы из мира РНК. Можно нарисовать примерно такую картину: рибозимы изначально использовали многие из современных кофаторов для своих целей, однако с появлением более эффективных белковых ферментов эти кофакторы были заимствованы последними. Рисунок 2. Вторичная структура РНК-переключателя гена metE. Выделены акцепторы — сайты связывания с молекулами SAM и AdoCbl, а также шпилечные терминирующие структуры. Геномные тэги и тРНК Рисунок 3. Вторичная структура тРНК. На рисунке отчётливо видна характерная для тРНК вторичная структура в виде «клеверного листа». В нижней части молекулы находится антикодоновая петля, ответственная за комплементарное связывание с кодоном мРНК. Согласно гипотезе геномного тэга, верхняя и нижняя половины тРНК эволюционировали по отдельности, причём верхняя половина древнее нижней. Всем хорошо известна важная роль тРНК в биосинтезе белка. Однако у тРНК и подобных ей молекул есть другая, менее известная, но не менее важная функция: в различных репликативных процессах они исполняют роль праймеров и шаблонов. Это могут быть процессы репликации одноцепочечной вирусной РНК, репликация митохондриальной ДНК у грибов, репликации теломер [10]. Обратимся к вирусной РНК. Тэг играет роль шаблона при инициации репликации вирусной РНК. Более того, эти участки бывают настолько похожи на «настоящие» тРНК [10] , что могут быть аминоацилированы то есть к ним может быть присоединена аминокислота при помощи фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Тем самым видно, что тРНК современных организмов способны также служить и праймерами. Возможно ли, что тРНК сегодняшних организмов произошли от древних геномных тэгов? Алан Вейнер и Нэнси Мэйцелс [10] отвечают на этот вопрос утвердительно.
По своему химическому составу РНК является двойняшкой, хотя и не полным близнецом, ДНК, основного хранителя генетической информации в живой клетке. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимерные макромолекулы, состоящие из отдельных звеньев — нуклеотидов. Скелетом макромолекулы являются молекулы пятиуглеродного сахара, соединенные остатками фосфорной кислоты. К каждой молекуле сахара присоединяется одно азотистое основание. Честно говоря, насчет РНК никто не задумывался долгие годы. Существовала догма, что вот есть клетка, есть хромосомы, в которых есть ДНК — хранитель генетической информации. В конце концов, на рибосомах синтезируются белки. А потом посыпались открытия, которые заставили совершенно по-другому взглянуть на РНК Главное отличие нуклеиновых кислот заключается в их углеводной компоненте. Так, ДНК существуют в основном в форме всем известных жестких спиралей, в которых две цепи ДНК удерживаются вместе за счет образования водородных связей между комплементарными нуклеотидами. РНК также могут формировать спирали из двух цепочек, похожие на спирали ДНК, однако в большинстве случаев РНК существуют в виде сложных структур-клубков. Структуры эти формируются не только за счет образования упомянутых водородных связей между разными участками РНК, но и благодаря оксигруппе рибозы, которая может образовывать дополнительные водородные связи и взаимодействовать с фосфорной кислотой и ионами металлов. Глобулярные структуры РНК не только внешне напоминают белковые структуры, но и приближаются к ним по свойствам: они могут взаимодействовать с самыми разными молекулами, как маленькими, так и полимерными. Кого Считать «Живым»? Почему же именно РНК мы называем праматерью ныне существующей жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, где проходит граница между живым и неживым. 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.
Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле
До этого же момента почему бы эту функцию не могли бы нести белки размножаясь грубо говоря по "принципу" прионов? Белки - те же цепи, что и РНК, только не свернутые и состоящие из "немного" других звеньев. Не пойму почему тогда они должны быть первичными по отношению к белкам? Чем белки хуже? По идее предположительная репликация белков по аналогии с репликацией РНК должна идти более быстро и эффективно, чем репликация РНК если сравниваемые белки и их предположительные функциональные РНК - аналоги ещё относительно малы. Потому, что РНК ещё нужно развернуть, что требует времени а потом - свернуть.
Белки же лишены этих недостатков. И пока количество хранимой информации было относительно мало короткие белки почему бы белкам нельзя было одержать вверх над РНК, если предположить, что белки могли тоже как и РНК размножаться по репликационному принципу грубо говоря, примерно, так, как это происходит у прионов? А уж потом, когда белки "выросли" по мере эволюционного накопления информации увеличилось негативное влияние шума при их репликации и возникла потребность более надежного хранения информации.
С другой стороны, если психология и социология суть науки, то на каком основании не признаются науками этика и религия, оперирующие в области морали, нравственности, души и духа? Если наука признает чудом все, что выходит за рамки естественных объяснений и ответов, то подобных необъяснимых в природе явлений — бесконечное множество. Если наука отказывается признать все эти феномены, феноменами, а пытается выдать их за «чудеса природы», «рефлексы мозга», «наследственность», «чрезмерно развитые физические инстинкты» и прочее, то тем хуже для науки. Ибо этим своим действием она лишает себя права называться подлинной наукой, призванной объяснять научным путем феномены Макрокосмоса и Микрокосмоса. Каждый факт в природе может быть связан с тайнами, которые трудно раскрыть, но мы не имеем права отрицать того или иного факта на том лишь основании, что его загадочность, нами еще не объяснена. Мы не представляем себе, например, чтобы разумный человек способен был отрицать электричество или магнетизм только потому, что нам непонятна их таинственная сущность. Истинная наука должна признать тот факт, что многие вещи могут быть реальными, истинными, хотя они и не могут быть судимы по анализам и результатам.
Созерцая Божий чудеса в Мирозданье, мы не можем сказать, что они противоречат законам природы, но в тоже время мы убеждаемся и в том, что они в рамки законов природы не укладываются. Если бы чудо подлежало естественным законам, то оно перестало бы рассматриваться чудом. Чудо не подчинено никакому закону и правилу. Чудо является исключением из общего правила. Чудо не нарушает правила или закона, но только свидетельствует об иных законах, высшего порядка, о которых мы иногда ничего не знаем или очень мало знаем.
Credit: PNAS, 2020. DOI: 10. 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.
Об этом говорится в статье журнала eLife. Гипотеза РНК-мира заключается в том, что первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, которые могли инициировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. Но долгое время было неясно, как такая молекула может появиться из предшественников, которые не могут проявлять каталитической активности. Специалисты обнаружили, что рибозим, который помогает расщеплять другие молекулы, может появиться спонтанно, потому что для обеспечения его работы необходимы только несколько классических оснований.
Решена главная проблема появления жизни на Земле
Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов. Согласно гипотезе «РНК-мира», когда первая такая молекула появилась на планете, она служила и материалом генетического хранения, и функциональным элементом для катализации химических реакций, а ДНК и белки развились намного позже. Ученые из Института биологических исследований Солка провели исследования, подтверждающие гипотезу о мире РНК. Одна из научных гипотез предполагает, что первоначально на Земле существовали несвязанные молекулы РНК, возможно, вместе с белками и другими органическими веществами.
Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира
Поскольку обычно используются участки длиной 30—60 мономеров, то в результате синтеза получается от 430 до 460 разных молекул! Цифры, привычные разве что для астрономов. В результате получается библиотека уже одноцепочечных РНК. РНК, способную связывать определенные молекулы. С последних же можно считывать искомые РНК-аптамеры, а затем — размножать их методом ПЦР в неограниченных количествах. Конечно, так происходит в идеальном случае, на практике все получается сложнее. Обычно исходный препарат РНК содержит огромный избыток «по-сторонних» молекул, избавиться от которого трудно. С помощью такого метода были получены тысячи разных РНК-аптамеров, которые образуют специфические комплексы с различными органическими соединениями и молекулами.
Рассмотренная схема молекулярной селекции может быть применена для получения молекул с любыми свойствами. Делайте Ваш Заказ! Метод молекулярной селекции обладает очень большими возможностями. С его помощью можно решать задачи поиска нужных молекул даже в том случае, если исходно нет идеи, как такие молекулы должны быть устроены. Однако, если придумать процедуру отбора, их можно выделить по принципу требуемых свойств, а затем уже заняться и вопросом, как эти свойства достигаются. Продемонстрируем это на примере выделения РНК, способных связываться с клеточными мембранами и модулировать их проницаемость. Древние рибоциты должны были поглощать «питательные» вещества из окружающей среды, удалять продукты метаболизма и делиться в ходе размножения.
И все эти процессы требуют управления проницаемостью мембран. Поскольку мы полагаем, что никаких других функциональных молекул, кроме РНК, в рибоцитах не было, какие-то РНК обязательно должны были взаимодействовать с мембранами. Однако с химической точки зрения они совершенно не подходят для роли регуляторов проницаемости мембран. Мембраны современных клеток и липосом, построенные из жирных кислот, несут отрицательный заряд. Поскольку РНК также заряжены отрицательно, то по закону Кулона они должны отталкиваться от липидной поверхности и тем более не могут проникать в глубь липидного слоя. Эти положительно заряженные ионы могут играть роль мостиков, располагаясь между отрицательно заряженными группами на поверхности мембраны и фосфатными группами нуклеиновой кислоты. Так маленькие враги привязали Гулливера к земле множеством тоненьких веревок.
Тут и помог исследователям метод молекулярной селекции. Из библиотеки РНК удалось выделить не-сколько молекул, которые очень успешно связывались с мембранами, а при достаточно высокой концентрации — даже разрывали их! Эти РНК обладали необычными свойствами. Они как бы помогали друг другу: смесь молекул разных сортов связывалась с мембранами гораздо лучше, чем молекулы одного сорта. Все стало ясным после изучения вторичных структур этих РНК. Этот механизм мог использоваться и для удерживания эволюционирующих систем РНК в виде колоний на поверхностях еще до того, как эти системы обзавелись изолирующей мембраной. Множество данных свидетельствует о том, что «мир РНК» действительно существовал.
Правда, не совсем ясно — где. Некоторые специалисты полагают, что начальные этапы эволюции происходили не на Земле, что на Землю были занесены уже функционально активные системы, которые приспособились к местным условиям. Однако с химической и биологической точки зрения это не меняет сути дела. В любом случае остается загадкой — в результате каких процессов в окружающей среде рибоциты образовались и за счет каких компонентов существовали. Ведь требуемые для жизни рибоцитов нуклеотиды — сложные молекулы. Трудно представить, что эти вещества могли образовываться в условиях пребиотического синтеза.
За многие поколения они накопили так много ошибок, что не походили на изначальные последовательности и полностью потеряли свою функциональность. Однако разработанная недавно в лаборатории Института Солка рибозома оказалась иной — она содержала ряд важных мутаций, позволяющих копировать последовательность РНК с куда большей точностью. Испытания показали, что полученная рибозома не только повторяет функции оригинальной, но и со временем у нее возникают новые вариации.
Благодаря новым мутациям им стало легче реплицироваться, то есть они приобрели эволюционное преимущество. Нечто на уровне отдельных молекул могло поддержать дарвиновскую эволюцию, это могла быть какая-то искра, которая позволила жизни стать более сложной и развиться от молекул до клеток и многоклеточных организмов». Иногда, чтобы восстановиться после повреждений, молекулам РНК требуется химическая модификация. Один из таких процессов — трехэтапное лигирование или соединение двух цепочек РНК. Эту реакцию запускают специальные ферменты, РНК-лигазы, и она присутствует во всех формах жизни, от вирусов до растений.
Еще одна возможная причина — облучение ультрафиолетом. Трихологи даже замечают «эффект лета», когда количество пациентов с телогеновой алопецией увеличивается с июля по октябрь. Вряд ли Лиланд Палмер оголодал в Твин Пиксе, знаменитом своими вишневыми пирогами. Также маловероятно, что в феврале ему напекло голову.
Но эмоциональный стресс налицо, как, впрочем, вероятно и использование антидепрессантов. Под клиническую картину не подходит лишь срок появления седины — с момента смерти Лоры к началу второго седого сезона проходит пара недель, а не два-три месяца, которые необходимы для манифестации заболевания. Пусть время в Твин Пиксе течет очень своенравно, но версию с telogen effluvium для Лиланда все же придется отбросить. Но вот в случае с Марией Антуанеттой на развитие седины после избыточного выпадения волос времени было более чем достаточно: между заключением в Тампль и восхождением на эшафот прошло более года. Кроме того, королеву в заточении почти никто не видел, а значит ее появление на казни поседевшей могло быть воспринято как произошедшее за одну ночь. Но у Лиланда был один недостаток: он нервничал. Вы нервничаете Помимо повышенной скорости выпадения волос стресс приводит к истощению популяции стволовых клеток, которые могли бы стать меланоцитами. Важную роль в поддержании работы волосяного фолликула играют окружающие его клетки: например жировой ткани и иммунные. Волосяные фолликулы также оплетены чувствительными нервами и нервами вегетативной нервной системы.
При этом вегетативная нервная система — одна из главных при реагировании на стресс. В современном мире нам редко приходится использовать эту реакцию в прямом смысле, тем не менее симпатическая нервная система все равно активируется. Но нервы, которые находятся в тесном контакте с волосяным фолликулом, в ситуации стресса могут случайно нарушить его работу. Часть нервных окончаний симпатической системы примыкают к области выпуклости, где обитают предшественники меланоцитов. У мышек стресс приводит к выбросу адреналина из нервных окончаний у фолликула. Из-за адреналина стволовые клетки начинают слишком активно делиться и мигрировать. В конце концов в области выпуклости ничего не остается: популяция предшественников меланоцитов полностью истощается, растущий волос некому подкрасить и появляется седина. Особенности биологии волоса, его роста и пигментации отличаются у людей и других млекопитающих: например, циклы роста у грызунов, как правило, короче и чаще, чем у человека. Кроме того, разнится и возраст появления седины: в то время как шимпанзе и собаки отращивают седину старея, у самцов серебристоспиных горилл седина появляется после 12 лет как статусный аксессуар.
Поэтому переносить результаты исследований с животных на человека следует с осторожностью. Косвенно на роль активации симпатической нервной системы в появлении седины от стресса у человека указывают случаи пациентов, у которых иссечение симпатических нервов на уровне шейного или поясничного отделов приводило к тому, что седина, наоборот, появлялась позже обычного. И если во внезапно появившейся седине виновата избыточная активация симпатической нервной системы, то поседевшие волосы — меньшая из проблем организма. Как, впрочем, было и у мистера Палмера. Седина — не то, чем кажется Если нормальная физиологическая серебристая шевелюра ассоциируется со старостью, то появление значительной седины до 30 лет считается преждевременным. Как и стрессовое внезапное поседение в любом другом возрасте. Остается вопрос: если наступает преждевременная седина — означает ли это и преждевременное старение? Эпидемиологические исследования показывают, что ранняя седина связана с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, метаболическим синдромом, остеопенией это уменьшение содержания минералов в костной ткани , болезнью Альцгеймера и даже тяжелым протеканием коронавирусной инфекции. Причем ранняя седина ухудшает прогноз по появлению заболеваний сердца до 40 лет даже сильнее, чем лишний вес или семейный анамнез.
Так что ранняя седина, кажется, идет рука об руку с несвоевременным появлением возрастных болезней: сердце шалит, кости ломаются, голова начинает работать с перебоями. Возможно, дело в том, что седина — чувствительный маркер нарушений в организме. Каждый волосяной фолликул — микроорган, который спонтанно отмирает и регенерирует раз в три-пять лет. Но в условиях стресса фолликулу сложнее самовосстанавливаться: это может быть связано с повреждением клеток свободными радикалами или хроническим воспалением. Избыточная активация симпатической нервной системы — тоже одна из возможных причин. При этом стрессовое истощение задевает не только лишь волосы. Исследования показывают, что стресс и изменения в балансе возбуждения и торможения симпатической нервной системы ускоряют старение всего организма. Стресс приводит к нарушениям в метаболизме глюкозы и жиров, увеличению рисков развития ожирения, сахарного диабета, заболеваний печени и сердечно-сосудистых заболеваний. Седина у нервных мышек намекает, что стресс истощает популяцию стволовых клеток и делает ткани неспособными к регенерации.
Слишком несовершенная копия приведет к потере генетической информации и, следовательно, к генетической нестабильности. РНК-молот может делать "молекулярные разрезы", другими словами, изменять клетки, разрывая их химические связи. Таким образом, исследователи смогли обеспечить определенную точность в процессе репликации и достаточную стабильность последовательных копий.
По мнению ученых, это исследование может послужить теоретической моделью для понимания того, как можно улучшить саморепликацию в будущем. Поэтому данная работа должна стать очень перспективной для будущих исследований в этой области.
Американские ученые выявили новое объяснение возникновения 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». (Различные аспекты гипотезы мира РНК и подтверждающие ее данные основательно рассмотрены в одноименной книге, вышедшей в 2010 г. в 4-м издании: Atkins et al., 2010.). Биохимик Р. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка.
РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле
Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. 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. Это предположение называется гипотезой РНК-мира и пользуется поддержкой среди современных учёных. Мир РНК — это красивая гипотеза о самозарождении жизни, и вчера ее доказательство стало на шаг ближе. Гипотеза мира РНК — Структура рибозима — молекулы РНК, выполняющей функцию катализа Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации. Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки.
Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
| Как в мир РНК пришли белки | Наука и жизнь | Сегодня Зоя Андреева рассматривает гипотезу РНК-мира, необязательно верную, но способную свергнуть центральную догму. |
| Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков | Одной из главных теорий является гипотеза "РНК-мира", согласно которой первые формы жизни возникли благодаря РНК-репликазе, способной копировать себя и другие молекулы РНК. |
| Обнаружены новые доказательства РНК-мира | Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». |
Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
Понятно, что существенный аргумент гипотезы РНК-мира состоит в том, что эта гипотеза создает "простой" переходный мостик между абиогенной органикой и клетками. Главная/Биология/Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК". Основной гипотезой о появлении ДНК и первых клеток в настоящее время является гипотеза РНК-мира, согласно которой сначала происходило образование молекул РНК.