Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории раскрывают новые доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой первые репликаторы на Земле были РНК-молекулами.
Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
Подписаться Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира» Эволюция, по определению Дарвина, это наследование с модификациями. Генетическая информация в виде цепочек ДНК копируется и передается от поколения к поколению. Но как обстояло дело до появления клеток и ДНК?
Ведь даже простейшая форма жизни нуждается примерно в тысяче разных белков». Но в дальнейшем течении интервью Дж. Уотсон озадаченно отмечает: «Я думаю, что самым важным из неожиданных событий последних лет было открытие «сплайсинга» РНК сшивания РНК без всяких ферментов.
Это очень важно для проблемы происхождения жизни» [17]. Это было в самом начале экспериментального процесса в науке, который привёл к созданию концепции «мир РНК». Уотсон ещё не мог в полной мере представить те изменения, которые стремительно последуют в ближайшие годы в мировоззрении учёных и которые приведут к принципиально важному выводу о том, что большие обобщения и упрощения знаний в молекулярной биологии вполне вероятны на основе исследования центрального звена живой материи -молекул РНК, представляющих собой удивительное вещество, поражающее разнообразием своих типов и функций, красотой и согласованностью процессов, в которых оно принимает участие. Открытие рибозимов Молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов таких, как теломераза, позволяющая клеткам быстро размножаться без старения , но отдельные виды обладают собственной активностью. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав.
Началась история исследований этого феномена в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены эти необычные ферменты. В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов. Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата то есть той молекулы, которая и подвергается изменению , а саму катализируемую реакцию выполняет белок. Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка, оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию.
Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты. Самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию. Эндорибонуклеазная активность самой РНК вне связи с белком была впервые обнаружена Т. Чеком в 1980 г. С тех пор аутокаталитические реакции расщепления были выявлены у многих молекул РНК.
Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами. За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии [34, 35]. Вместе с тем показано, однако, что рибозимы современных организмов обладают весьма ограниченным диапазоном каталитических активностей, осуществляющих преимущественно реакции гидролиза и переноса фосфодиэфирных связей в самой РНК, а также в ДНК. Представления о возможностях РНК катализа значительно расширились с развитием методов искусственного отбора и амплификации молекул из синтезированных хаотических последовательностей РНК. Оказалось, что рибозимы, полученные в результате молекулярной селекции, катализируют образование полимерных цепей, комплементарных материнским молекулам РНК.
Они также способны катализировать реакции, имеющие прямое отношение к биосинтезу белка, например, перенос аминоацильных и пептидильных радикалов и образование пептидной связи. С этим хорошо согласуется тот факт, что рибосомная 23 8 РНК выполняет каталитическую функцию в биосинтезе белка и нельзя исключить, что именно полинуклеотидный катализатор обеспечивает пептидилтрансферазную активность современной рибосомы. Эти результаты дают основание полагать, что каталитические активности, присущие полирибонуклеотидным молекулам, могли обеспечить развитие процессов репликации и трансляции в мире РНК [4, 7]. После открытия Т. Чеком с соавторами в 1981-1982 гг.
Именно открытие рибозимов РНК-ферментов привело к созданию концепции «мира РНК» - мира, который, вероятно, возник и существовал задолго до оформления ныне существующего «ДНК-белкового мира». Вскоре после открытия рибозимов в одной из работ родоначальник и классик молекулярной биологии Ф. Крик писал: «Эти эксперименты по каталитической РНК поддерживают гипотезу, что биохимия РНК предшествовала традиционной биохимии, основанной на нуклеиновых кислотах и белках». Эта книга в последствие неоднократно переиздавалась. Авторы, среди которых был и Чек, обсуждали на страницах объёмистого тома эволюционные аспекты зарождения катализа, специфичность и функции макромолекул.
В начале 1990-ых годов ещё никто не мог предполагать взрыва интереса к РНК, и книга пользовалась интересом главным образом среди теоретиков. Теперь же совсем другое дело. Можно только поразиться провидческой способности редакторов первого издания, которые предпослали книге подзаголовок: "Природа современной РНК предполагает её пребиотичность" [16]. Новый взгляд на происхождение жизни на планете Земля Проблема происхождения жизни приобрела неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание учёных разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира.
В конце 60-ых годов XX века известный английский учёный Джон Бернал в своей монографии «Возникновение жизни» 1967 писал: «Гипотеза Уотсона и Крика, предложенная ими в 1953 году, произвела полный переворот в биологии, да и, можно сказать, в науке вообще. Возможность приложения этой гипотезы к проблеме возникновения жизни очевидна, хотя и не осознаётся ещё должным образом даже её авторами.... Успехи, достигнутые молекулярной биологией, заставили нас пересмотреть многое из того, что прежде считалось очевидным... Лишь после работ Уотсона, Крика и Ниренберга, раскрывших всю сложность процесса белкового синтеза, нам стало ясно, что здесь мы имеем дело с тончайшим механизмом воспроизведения - воспроизведения не столько самих организмов, сколько составляющих его молекул» [3]. Однако до 80-ых годов XX века, ввиду отсутствия экспериментально мотивированного ответа на вопрос о том, как сформировались в эволюции системы декодирования генетической информации нуклеиновых кислот в структурные параметры белков, проблема возникновения организмов, одновременно обладавших каталитическим и генетическим аппаратом, казалось неразрешимой.
Возможность решения этой проблемы открывалась, если предположить, что на начальных этапах эволюции обе функции могли быть объединены, в каком-либо одном классе биополимеров. Следует сказать, что, несмотря на экспериментальные свидетельства абиотической конденсации аминокислот в каталитически активные полимеры, неспособность полипептидов в отличие от полинуклеотидов реплицироваться с образованием комплементарных последовательностей не позволяла рассматривать белки в качестве хранителя и переносчика генетической информации. Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения репликации.
Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции. Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков - соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира.
Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы -структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, - появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков. Таким образом, имеется много достаточно веских теоретических доводов, чтобы считать молекулу РНК основоположницей жизни на Земле. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт, придумавший на основании идеи российских академиков Е. Свердлова и А.
Мирзабекова, один из первых методов секвенирования ДНК, ввел в оборот выражение "мир РНК", имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни. Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: "фаворитом" стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить [4]. Плодотворной оказалась идея, высказанная К.
Вузом и несколько позже Л. Оргелем и окончательно сформулированная В. Гилбертом уже в 80-е годы. Согласно этой идее наличие каталитической функции у полинуклеотидов могло привести к формированию своеобразного «мира РНК» как основы эволюции первичной биосферы. Представления о существовании мира РНК исходят из предположения, что именно полинуклеотиды составляют химическую основу древнейших организмов, то есть молекулы РНК функционировали как генетический материал и одновременно выполняли каталитические функции в присутствии генетически упорядоченных белков [30].
Исследователи разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК, лишенные ферментативной активности. В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении. Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом.
В 2000 году гипотеза «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств. Рибосома делает белки Томас Стейц провели 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру рибосомы. Рибосома есть в каждой живой клетке. Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, чтобы сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую часть вашего тела. Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК была каталитическим ядром рибосомы. Это было важно, так как рибосома фундаментально важна для жизни и при этом очень древняя. Но с тех пор ученые начали сомневаться. С самого начала у идеи «мира РНК» было две проблемы. Могла ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? Могла ли она образоваться на ранней Земле? Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли твердых доказательств, что РНК может выполнять все, что от нее требует теория. Это маленькая умелая молекула, но она может не уметь всего. Как он-лайн вечеринки меняют нашу жизнь. Личный опыт Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была быть способна делать копии себя: она должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся. Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Поэтому в конце 1980-х годов несколько ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно. Джек Шостак Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, кто принял в этом участие. В детстве он был так очарован химией, что завел лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка. В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха. Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли. Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел фермент РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты РНК могут быть по-настоящему мощными. Но их фермент не мог копировать себя, даже чуточку. Шостак оказался в тупике. Возможно, жизнь началась не с РНК Следующий крупный шаг осуществил в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Другими словами, он добавлял не случайные нуклеотиды: он правильно копировал последовательность. Пока это был еще не саморепликатор, но уже что-то похожее. Была надежда, что несколько настроек позволят ему построить цепь длиной в 189 нуклеотидов — как и он сам. Лучшее, что удалось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. В 2009 году они создали фермент РНК, который размножается косвенно. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента. Затем объединяет другие два кусочка РНК, чтобы воссоздать исходный фермент. При наличии сырья этот простой цикл можно продолжать до бесконечности. Но ферменты работали только тогда, когда им давали правильные цепочки РНК, которые приходилось делать Джойсу и Линкольну. Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, по всей видимости, просто не может взять и начать жизнь. Также проблему усугубила неудача химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая молекула по сравнению с ДНК, но сделать ее чрезвычайно трудно. Это животное остается беременным всю жизнь без перерыва Проблема лежит в сахаре и основании, которые составляют каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них по отдельности, но они упорно отказываются связываться. К началу 1990-х годов эта проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, что гипотеза «мира РНК», несмотря на всю привлекательность, может быть не совсем верной. Вместо этого, возможно, на ранней Земле был какой-то другой тип молекулы: что-то проще, чем РНК, которая на самом деле могла собрать себя из первичного бульона и начать самовоспроизводиться. Это была по существу сильно модифицированная версия ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Непонятным образом с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота. ПНК никогда не встречали в природе. Но ведет она себя практически как ДНК. Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к РНК-миру, он подозревал, что ПНК была куда более вероятным кандидатом на первый генетический материал. В 2000 году он произвел несколько уверенных доказательств. К тому времени ему уже стукнуло 70 и он пережил несколько инсультов, которые могли отправить его в дом престарелых, но не сдался. Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду — и получил полиамидную основу ПНК. Молекула треозо-нуклеиновой кислоты Другие химики придумали собственные альтернативные нуклеиновые кислоты. Это та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Более того, ТНК может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту, которая может формировать спиральные структуры. У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники. Но никаких следов их в природе не найти, поэтому если первая жизнь действительно использовала их, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но никаких доказательств нет. В итоге к середине 2000-х годов сторонники мира РНК оказались в затруднительном положении. С одной стороны, РНК-ферменты существовали и включали одну из важнейших частей биологической инженерии, рибосому. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, что они существовали в природе. Не очень хорошо. Очевидный вывод был таким: «мир РНК», несмотря на свою привлекательность, оказался мифом. Между тем с 1980-х годов постепенно набирала обороты другая теория. Вместо этого она началась с механизма использования энергии. Жизни нужна энергия, чтобы оставаться живой Часть четвертая: энергия протонов Во второй главе мы узнали, как ученые разделились на три школы мысли, размышляя об истоках жизни. Одна группа была убеждена, что жизнь началась с молекулы РНК, но не смогла показать, как РНК или подобные молекулы могли спонтанно образоваться на ранней Земле, а затем наделать копий самих себя. На первых порах их усилия воодушевляли, но в конечном итоге осталось только разочарование. Тем не менее другие исследователи происхождения жизни, которые двигались иными путями, пришли к кое-каким результатам. Теория «мира РНК» опирается на простую идею: самое важное, что может сделать живой организм, это воспроизвести себя. Многие биологи с этим согласились бы. От бактерий до голубых китов, все живые существа стремятся завести потомство. Тем не менее многие исследователи происхождения жизни не считают воспроизводство чем-то фундаментальным. Перед тем как организм сможет размножаться, говорят они, он должен стать самодостаточным. Он должен поддерживать себя в живом состоянии. В конце концов, вы не сможете иметь детей, если сначала умрете. Мы поддерживаем себя в живых, поглощая пищу; зеленые растения делают это путем извлечения энергии из солнечного света. На первый взгляд, человек, поедающий сочный стейк, сильно отличается от поросшего листвой дуба, но если разобраться, они оба нуждаются в энергии. Этот процесс называется метаболизм. Сначала вам нужно получить энергию; допустим, из богатых энергией химических веществ вроде сахара. Затем вы должны использовать эту энергию, чтобы построить что-нибудь полезное вроде клеток. Этот процесс использования энергии настолько важный, что многие исследователи считают его первым, с которого началась жизнь. Вулканическая вода горячая и богата минералами Как могли бы выглядеть эти предназначенные только для метаболизма организмы? Одно из самых интересных предположений было выдвинуто в конце 1980-х годов Гюнтер Вахтершаузер. Он не был штатным ученым, скорее патентным юристом с небольшими познаниями в химии. Вахтершаузер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знали». Они не были сделаны из клеток. Нет, вместо этого Вахтершаузер представил поток горячей воды, вытекающей из вулкана. Эта вода богата вулканическими газами вроде аммиака и содержит следы минералов из сердца вулкана. Там, где вода текла через скалы, начинали происходить химические реакции. В частности, металлы из воды помогали простым органическим соединениям сливаться в более крупные. Поворотным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество превращается в ряд других химических веществ, пока в конце концов не будет воссоздан исходник. В процессе этого вся система накапливает энергию, которая может быть использована для перезапуска цикла — и для других вещей. Инопланетная жизнь может обитать рядом с белыми карликами Все остальное, из чего состоит современный организм — ДНК, клетки, мозги — появились позже, поверх этих химических циклов. Эти метаболические циклы вообще мало похожи на жизнь. Вахтершаузер назвал свое изобретение «прекурсорами организмов» и написал, что «едва ли их можно назвать живыми». Но метаболические циклы вроде тех, что описал Вахтершаузер, лежат в основе всего живого. Ваши клетки — это по сути микроскопические химические заводики, постоянно перегоняющие одни вещества в другие. Метаболические циклы нельзя назвать жизнью, но они имеют основополагающее значение для нее. В течение 1980-х и 1990-х годов Вахтершаузер работал над деталями своей теории. Он изложил, какие минералы подошли бы больше всего и какие химические циклы могли иметь место. Его идеи начали привлекать сторонников. Но все это было сугубо теоретическим. Вахтершаузеру нужно было реальное открытие, которое подкрепило бы его идеи. К счастью, его уже сделали десятью годами ранее. Источники в Тихом океане В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон погрузилась на 2,5 километра в восточной части Тихого океана. Они изучали Галапагосские горячие источники в местах, где с морского дна поднимались высокие хребты. Эти хребты были вулканически активными. Корлисс обнаружил, что эти хребты были буквально усеяны горячими источниками. Горячая, обогащенная химическими веществами вода поднимается из-под морского дна и струится через отверстия в скалах. Невероятно, но эти гидротермальные источники были густо населены странными животными. Там были огромные моллюски, мидии и кольчатые черви. Вода также была густо пропитана бактериями. Все эти организмы жили на энергии гидротермальных жерл. Открытие этих источников сделало Корлиссу имя. И заставило задуматься. В 1981 году он предположил, что подобные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они стали местом происхождения жизни. Он посвятил львиную долю своей карьеры изучению этого вопроса. У гидротермальных источников живет странная жизнь Корлисс предположил, что гидротермальные источники могли создавать коктейли химических веществ. Каждый источник, говорил он, был своего рода распылителем первичного бульона. По мере того, как горячая вода текла через скалы, тепло и давление приводили к тому, что простые органические соединения сливались в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начинали связываться в цепочки — формировать углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК. Затем, когда вода подходила к океану и остывала еще больше, эти молекулы собирались в простые клетки. Это было интересно, теория привлекла внимание людей. Но Стэнли Миллер, эксперимент которого мы обсуждали в первой части, не поверил. В 1988 году он писал, что глубоководные жерла были слишком горячими. Каким образом человек смог повторно заразиться коронавирусом? Хотя сильное тепло может привести к образованию химических веществ вроде аминокислот, эксперименты Миллера показали, что оно также может и уничтожить их. Основные соединения вроде сахаров «смогли бы выжить пару секунд, не больше». Более того, эти простые молекулы вряд ли связались бы в цепи, поскольку окружающая вода мгновенно их разорвала бы. На этом этапе к битве подключился геолог Майк Расселл. Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Более того, ему показалось, что эти источники будут идеальным домом для прекурсоров организма Вахтершаузера. Это вдохновение привело его к созданию одной из самых широко признанных теорий происхождений жизни. Геолог Майкл Расселл В карьере Расселла было много интересных вещей — он делал аспирин, разыскивая ценные минералы — и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал реагирование на возможное извержения вулкана, несмотря на отсутствие подготовки. Но его больше интересовало, как менялась поверхности Земли на протяжении эпох. Эта геологическая перспектива и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни. В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного типа гидротермального источника, в котором температуры не превышали 150 градусов по Цельсию. Эти мягкие температуры, по его словам, могли позволить молекулам жизни жить дольше, чем полагал Миллер. Более того, ископаемые остатки этих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал пирит, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, что пирит также может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур. Железный пирит Примерно в это же время Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был поток горячей химически обогащенной воды, протекающей через минералы. Он даже предположил, что в этом процессе участвовал пирит. Расселл сложил два плюс два. Он предположил, что гидротермальные источники на глубине моря, достаточно холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря — и сначала появился метаболизм. Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера. Она не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, но была, возможно, более важной. Расселл объединил две, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса — в нечто по-настоящему убедительное. Расселл даже предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. То есть он понял, как мог бы работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки. Питер Митчелл, нобелевский лауреат В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти в отставку из Университета Эдинбурга. Вместо этого он создал частную лабораторию в отдаленном поместье в Корнуолле. Изолированный от научного общества, он финансировал свою работу за счет стада молочных коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы обсудили во второй части, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми. Спустя несколько десятков лет Митчелла ждала абсолютная победа: Нобелевская премия по химии 1978 года. Он не стал знаменитым, но его идеи сегодня в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, что организмы делают с энергией, которую получают из пищи. По сути, он задавался вопросом, как всем нам удается оставаться в живых каждую секунду. Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате АТФ. К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем запирается в АТФ. Может ли искусственный интеллект уничтожить человечество уже к 2035 году? Когда клетка нуждается в энергии — например, когда сокращается мышца — она разбивает третий фосфат в АТФ. Митчелл хотел узнать, как клетка вообще создает АТФ. Как она накапливает достаточно энергии в АДФ, чтобы прикрепить третий фосфат? Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится в мембране. Поэтому предположил, что клетка закачивает заряженные частицы протоны через мембрану, поэтому много протонов находится по одну сторону, а по другую — нет. Затем протоны пытаются просочиться обратно через мембрану, чтобы уравновесить число протонов по каждую сторону — но единственное место, через которое они могут пройти, это фермент. Поток текущих протонов, таким образом, обеспечивал фермент энергией, необходимой для создания АТФ. Впервые Митчелл изложил свою идею в 1961 году. Следующие 15 лет он провел, защищая ее со всех сторон, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс Митчелла используется каждым живым существом на Земле. Прямо сейчас он протекает в ваших клетках. Как и ДНК, он лежит в основе известной нам жизни. Расселл позаимствовал у Митчелла идею протонного градиента: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и немногого — на другой. Все клетки нуждаются в протонном градиенте, чтобы хранить энергию. Современные клетки создают градиенты, откачивая протоны через мембраны, но для этого нужен сложный молекулярный механизм, который просто не мог появиться сам по себе.
Из Википедии — свободной энциклопедии
- Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
- Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
- ELife: выявлено самовоспроизведение молекул, подтверждающее гипотезу РНК-мира
- Новости компаний
- Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии - YouTube
- РНК у истоков жизни?
РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле
В опытах Миллера — Юри было получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот. Современные вариации этих классических экспериментов используют куда более сложные постановки, которые точнее соответствуют условиям ранней Земли. Имитируются воздействия вулканов с их выбросами сероводорода и двуокиси серы, присутствие азота и т. Так ученым удается получать огромное и разнообразное количество органики — потенциальных кирпичиков потенциальной жизни. Главной проблемой этих опытов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул таких как аминокислоты образуются в смеси в равных количествах, тогда как вся известная нам жизнь за единичными и странными исключениями включает лишь L-изомеры. Впрочем, к этой проблеме мы еще вернемся. Здесь же стоит добавить, что недавно — в 2015 году — кембриджский профессор Джон Сазерленд John Sutherland со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси — циановодород и сероводород, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остается добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, — такие как фосфаты, соли меди и железа.
Ученые построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нем появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция. Гипотезу абиогенного происхождения жизни из «органического бульона», которую проверили эксперименты Миллера и Юри, выдвинул в 1924 году советский биохимик Александр Опарин. И хотя в «темные годы» расцвета лысенковщины ученый принял сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания роли академика имя его носит главная награда, вручаемая Международным научным обществом изучения возникновения жизни ISSOL , — Медаль Опарина. Премия присуждается каждые шесть лет, и в разное время ее удостаивались и Стэнли Миллер, и великий исследователь хромосом, Нобелевский лауреат Джек Шостак. Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия — с изменчивым названием. Научно: Химическая эволюция Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента воду и углерод — NS в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами.
А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные — прежде всего — к саморепликации. По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль. На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса. Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции — такие как восстановление минерала пирита FeS2 водородом до сульфида железа и сероводорода. В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера — Юри. А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия.
Это позволяет решить главную проблему возникновения жизни на Земле, согласно которой должны были существовать какие-то предшественники нуклеиновых кислот. Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys. По мнению специалистов, маловероятно, что современная версия РНК сформировалась бы сразу.
Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале eLife. Согласно гипотезе РНК-мира, первые репликаторы структуры, способные к размножению на Земле представляли собой РНК-молекулы, способные катализировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. Однако было не ясно, как такая молекула может возникнуть из предшественников, не способных к каталитической активности. Оказалось, что рибозим, который способен расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно, поскольку для обеспечения его функции необходимы только несколько консервативных оснований. Однако оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось в ходе биохимической эволюции.
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.
Обнаружены новые доказательства РНК-мира
Так, нанизывая аминокислоту за аминокислотой, рибосома формирует белок. И если раньше считалось, что РНК — это просто помощник, то за последние годы появилось много данных, опровергающих ее подчиненное положение. Вполне возможно, что РНК не серая мышь рядом со своей куда более известной сестрой, а серый кардинал за ее троном. Оказалось, что РНК не только играет роль посредника между ДНК и синтезом белка, но и обладает каталитической активностью, то есть может работать как фермент.
Долгое время считалось, что ферментами могут быть исключительно белки, и открытие рибозимов — РНК-ферментов — перевернуло представления науки о функциях РНК. Обнаружили каталитическую активность практически случайно. Зачем в ферментах РНК?
Белок и нуклеиновую кислоту «разделили» и… неожиданно отметили, что и лишенная белка РНК справлялась со своей каталитической функцией. Сначала биохимики подумали, что это ошибка, артефакт, оставшийся или занесенный извне белок — но и искусственно созданная РНК с той же последовательностью работала как фермент. Стало понятно, что ферментативная активность больше не прерогатива белков.
Дальше — больше. Помимо каталитической активности удалось обнаружить еще одно свойство — это регулирование экспрессии генов, то есть степени их проявления. Даже сейчас известны тысячи различных РНК, участвующие в подавлении активности гена на всех стадиях его проявления, от считывания ДНК до непосредственного белкового синтеза.
Причем оказалось, что интерферирующая РНК может быть даже… двухцепочечной. Простыми словами интерференцию можно объяснить так: маленькие молекулы РНК комплементарны тем генам, которые нужно заглушить или каким-то другим образом повлиять на их активность, и благодаря таким РНК-«ориентировкам» ферменты-киллеры могут найти уже синтезированную матричную РНК, то есть копию гена, по которой будет работать рибосома, и уничтожить ее. На самом деле механизм, конечно, сложнее, но смысл один — регуляция работы ДНК.
Особенно часто такие РНК проявляют себя в различных процессах, направленных на защиту организма, — они устраняют опасность, уничтожая нуклеиновые кислоты патогенов. Причем этот механизм достаточно древний — он есть у растений и даже, судя по всему, у одноклеточных, по крайней мере микроРНК у некоторых из них уже обнаружили. Итак, мы знаем, что РНК сама по себе крайне загадочна — она может и хранить информацию, и катализировать реакции, и буквально держать саму ДНК на поводке.
Но как, если вокруг нет ничего, хотя бы отдаленно напоминающего нуклеиновые кислоты? Идея о том, что РНК может просто так взять и появиться буквально из ниоткуда, казалась смехотворной — однако была доказана лабораторно. Для этого группа ученых под руководством Джона Сазерленда взяла не самые приятные вещи — сероводород и цианистый калий.
Немного подержав их под ультрафиолетом, они получили… протонуклеотиды , маленькие кирпичики для создания нуклеиновых кислот. Более того, Сазерленд обнаружил возможность «самозарождения» некоторых аминокислот Пастеру бы этот вывод вряд ли понравился. Такая гипотеза возникновения РНК выглядит крайне привлекательной, хотя бы потому, что на свежесформированной планете, которая постоянно менялась и сталкивалась то с извержениями вулканов, то с метеоритами а они содержат довольно много цианида , этих трех ингредиентов было предостаточно.
А еще в метеоритах была найдена рибоза, углевод, входящий в состав РНК при этом дезоксирибозы, входящей в состав ДНК, в них так и не обнаружили , — соответственно, и она могла быть занесена извне. Но возникает следующий вопрос: допустим, в мире появилась РНК и первые аминокислоты — как перейти от этого супового набора к созданию чего-то более значимого?
А чтобы синтезировать белки, нужна ДНК.
Образуется замкнутый круг, который навел ученых на мысль, что первые организмы хранили генетическую информацию не в виде ДНК, а в виде РНК. РНК содержится в клетке и выполняет в ней разнообразные функции.
Оказалось, что короткие цепочки РНК, действуя как праймеры, могут приводить к образованию большого количества копий разрушенного полимера, аналогично процессу регенерации червей. Добавление спонтанно образованных рибозимов к полимерным цепочкам также оказало влияние на процесс самовоспроизводства этих структур. Источник фото: Фото редакции Репликация полимера осуществлялась через циклическое изменение температуры между горячей и холодной фазами, что напоминает циклы день-ночь.
Эксперимент показал, что из таких разрывов возникали короткие цепочки РНК, действующие как праймеры для синтеза более длинных цепей РНК. Это приводило к образованию множества копий разрушенного полимера. Ученые сравнили это явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты. Ранее исследования показали, что социальный статус влияет на активность генов и передается от матери к детям.
ELife: выявлено самовоспроизведение молекул, подтверждающее гипотезу РНК-мира
Хотя гипотеза мира РНК восторжествовала, некоторые ученые были с ней не согласны. Проблемы гипотезы РНК-мира, по А.С. Спирину: КОГДА, ГДЕ И В КАКИХ УСЛОВИЯХ МОГ ВОЗНИКНУТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ МИР РНК? Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения. В обзоре рассматривается развитие исследований необычных свойств РНК, интенсивно начавшиеся в самом начале 80-ых годов XX века, что привело к формированию концепции «Мир РНК».
Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира
| ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул | Новые доказательства гипотезы РНК-мира: ученые обнаружили способ самовоспроизведения молекул без участия белков. |
| гипотеза "Мир-РНК" | рибозимов - в 1982-1983. |
| Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира | 01.04.2024 | Рязань.Лайф | Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. |
Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК"
Это предположение называется гипотезой РНК-мира и пользуется поддержкой среди современных учёных. Сегодня Зоя Андреева рассматривает гипотезу РНК-мира, необязательно верную, но способную свергнуть центральную догму. ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира.
ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул
Таким образом, новое весомое доказательство получила так называемая гипотеза РНК-мира, согласно которой именно молекулы РНК стояли у истоков земной жизни, и они стали первыми сохранять и передавать генетическую информацию. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК. Последние новости дня на этот час. В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. Это новое исследование ставит под сомнение гипотезу мира РНК, которая предполагает, что самовоспроизводящиеся молекулы РНК были предшественниками всех современных форм жизни на Земле. Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК.
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
| Биохимики спорят о том, не настаёт ли конец эпохи РНК / Хабр | Новости по тэгу. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК. |
| Гипотеза мира РНК | 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. |
| Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира» | Сегодня Зоя Андреева рассматривает гипотезу РНК-мира, необязательно верную, но способную свергнуть центральную догму. |
Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
Это новое исследование ставит под сомнение гипотезу мира РНК, которая предполагает, что самовоспроизводящиеся молекулы РНК были предшественниками всех современных форм жизни на Земле. Проблемы гипотезы РНК-мира, по А.С. Спирину: КОГДА, ГДЕ И В КАКИХ УСЛОВИЯХ МОГ ВОЗНИКНУТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ МИР РНК? 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. Чтобы гипотеза о мире РНК была достоверной, мы должны представить себе, что достаточно длинный предшественник РНК, способный к репликации, мог спонтанно появиться в пребиотическом супе. Новости о недвижимости, экономики и финансах в России.