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. Новые доказательства гипотезы РНК-мира: ученые обнаружили способ самовоспроизведения молекул без участия белков.
Ученые описали, как появилась РНК
| ELife: выявлено самовоспроизведение молекул, подтверждающее гипотезу РНК-мира | Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. |
| РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле | Эта работа подрывает так называемую «гипотезу мира РНК», которая утверждает, что РНК сформировала основу биосферы Земли задолго до того, как появились ДНК и другие молекулы, важные для жизни, хотя доказательств этого было недостаточно. |
| Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК | А раз так, то верна гипотеза о том, что РНК должны была возникнуть на Земле раньше, чем ДНК. |
| Тайна появления жизни на Земле | Мир РНК — это красивая гипотеза о самозарождении жизни, и вчера ее доказательство стало на шаг ближе. |
Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. рибозимов - в 1982-1983. Пост автора «Хайтек+» в Дзене: Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира» Эволюция, по определению Дарвина, это наследование с модификациями. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
Некоторое время назад удалось показать, что буквы с модификациями тоже можно синтезировать из неорганического сырья. Также удалось продемонстрировать, что модифицированные буквы могут напрямую соединяться с аминокислотами. И вот сейчас оказалось, что РНК с модифицированными буквами могут сами, без помощи белков, конструировать небольшие пептиды из отдельных аминокислот. Исследователи синтезировали небольшие РНК, на конце у которых сидели модифицированные азотистые основания. РНК были парными, то есть они были взаимнокомплементарными. Генетические буквы могут соединяться друг с другом водородными связями, аденин А с тимином Т или с урацилом У , гуанин Г с цитозином Ц — говорят, что они комплементарны друг другу. Две нуклеиновые кислоты или два участка в пределах одной нуклеиновой кислоты могут поэтому легко слипнуться друг с другом, если у них подходящие последовательности букв. В эксперименте у одной РНК на конце была модифицированная буква А, к которой присоединялась аминокислота. У другой РНК на конце была модифицированная У.
Потом молекулы грели, и под действием температуры РНК расходились. После охлаждения к РНК-акцептору, которая продолжала удерживать полученную аминокислоту, приходила новая РНК-донор — тоже комплементарная, тоже способная с ней слипнуться, но с другой аминокислотой на модифицированной А.
Также было высказано предположение, что аминокислоты могли первоначально образовывать комплексы с молекулами РНК в качестве кофакторов , способных усиливать и диверсифицировать ферментативные способности; мРНК могла произойти из сходных молекул, а тРНК из филаментов, способных катализировать перенос одних и тех же аминокислот к коротким пептидам. Самое главное, эта группа делает молекулу менее стабильной, так как она может атаковать близлежащую фосфодиэфирную связь и разорвать ее. Другим существенным отличием является используемый набор оснований РНК , который включает урацил вместо тимина , используемого ДНК. Это аналогичные молекулы, хотя для производства урацила требуется меньше энергии. С точки зрения спаривания соответствующих последствий нет: аденин способен безразлично связывать оба основания.
Реальным ограничением использования урацила является то, что он может быть результатом дезаминирования цитозина , что делает молекулы РНК особенно восприимчивыми к мутациям, которые заменяют пары оснований , такие как GC на GU. Структура РНК делает ее длинные нити хрупкими по своей природе, которые могут подвергаться деградации посредством гидролиза. Ароматические основания, которые эффективно поглощают УФ -излучение , также очень склонны к структурным модификациям, что делает точность такого сохранения очень низкой. Наличие такой оптимизированной молекулы , как ДНК, объясняет, почему сегодня для этой цели не используется РНК, но не исключает, что это могло иметь место на первобытных стадиях жизни на Земле. Значение гипотезы Свойства РНК делают существование мира РНК концептуально возможным, хотя его правдоподобие как объяснение происхождения жизни все еще обсуждается. Несколько иная версия гипотезы состоит в том, что другой тип нуклеиновой кислоты , называемый пре-РНК , первым появился в виде самовоспроизводящейся молекулы, но впоследствии был заменен РНК. Наиболее убедительным доказательством является то, что в рибосоме , состоящей из белков и рибосомной РНК, синтез белка осуществляется не ферментами которые являются белками , а рибосомной РНК , которая в данном случае ведет себя как рибозим.
Вторым важным тестом является явление сплайсинга , когда молекула пре-РНК способна разрезать себя без вмешательства ферментов, хотя вмешательство белков, как и в случае с рибосомами, стабилизирует и действует как «каркас» для реакции. Опять же, вироиды , простейшие самовоспроизводящиеся объекты, состоят из РНК, которая действует как рибозим. РНК также представляет собой единственный генетический материал некоторых вирусов, таких как ретровирусы , что доказывает, что только РНК может составлять геном. Эти и другие свидетельства, присутствующие в современных живых организмах, убедительно подтверждают идею о том, что РНК была последней самореплицирующейся молекулой до появления ДНК [13]. Хотя нуклеотиды не были идентифицированы в классическом эксперименте Миллера-Юрея , есть и другие эксперименты, такие как эксперимент Джоана Оро , которые подчеркивают их возможный автономный синтез в условиях окружающей среды, характерных для происхождения жизни.
Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений и намного больше поколений РНК, так как поколения сменялись и внутри каждой пробирки.
Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее. Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата исходных химических реактивов в среде , из которых РНК строили свои копии. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность. По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. 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.
Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира 06:36 01. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории представили новые данных, подтверждающие гипотезу РНК-мира. Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле были представлены РНК-молекулами, способными к самовоспроизведению без участия белковых ферментов В сообщении, опубликованном в журнале eLife, ученые описывают механизм, согласно которому рибозимы могут возникать спонтанно и служить затравками для синтеза более длинных цепей РНК.
ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул
Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле были представлены РНК-молекулами, способными к самовоспроизведению без участия белковых ферментов. Проблемы гипотезы РНК-мира, по А.С. Спирину: КОГДА, ГДЕ И В КАКИХ УСЛОВИЯХ МОГ ВОЗНИКНУТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ МИР РНК? Мир РНК утверждает, что когда РНК сформировалась на Земле, она начала размножаться, а затем породила такие молекулы, как ДНК.
Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира
Гипотеза РНК-мира заключается в том, что первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, которые могли инициировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году. Гипотеза мира РНК — это гипотетический этап процесса зарождения и развития жизни на Земле, когда молекулы рибонуклеиновых кислот (РНК) выполняли две ключевых функции. В рамках своего проекта ученые поставили под сомнение достоверность гипотезы РНК-мира. Полагаю, что и гипотезу «Мир-РНК», которая по принципу «на безрыбье и рак рыба» пока атеистам кажется убедительной, ждет такое же будущее. Гипотеза мира РНК утверждает, что первые жизненные формы могли появиться на основе РНК.
РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле
Мир РНК — это красивая гипотеза о самозарождении жизни, и вчера ее доказательство стало на шаг ближе. «Я убежден, что гипотеза РНК-мира неверна», -говорит профессор отделения растениеводства (University of Illinois crop sciences) и Института геномной биологии. Летающие лисы. Подписаться. Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. Показать больше.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
Так называют большие молекулярные машины, которые заняты синтезом белка во всех живых клетках. Каждая рибосома — это сложный комплекс, в котором на каркасе специальных рибосомных РНК сидит множество рибосомных же белков. Информацию для синтеза белка рибосома считывает с другой РНК, матричной мРНК — она едет по мРНК и считывает последовательность букв, которая кодирует тот или иной белок. В общих чертах получается следующая картина: транспортная РНК с той или иной аминокислотой соприкасается с участком матричной РНК, и если к рибосоме пришла нужная тРНК с нужной аминокислотой, она эту аминокислоту присоединяет к растущей белковой цепи. Причём здесь модифицированные азотистые основания в рибосомной РНК? При том, что они стабилизируют взаимодействие между двумя другими РНК, транспортной и матричной. Некоторое время назад удалось показать, что буквы с модификациями тоже можно синтезировать из неорганического сырья. Также удалось продемонстрировать, что модифицированные буквы могут напрямую соединяться с аминокислотами. И вот сейчас оказалось, что РНК с модифицированными буквами могут сами, без помощи белков, конструировать небольшие пептиды из отдельных аминокислот.
Исследователи синтезировали небольшие РНК, на конце у которых сидели модифицированные азотистые основания. РНК были парными, то есть они были взаимнокомплементарными.
В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью. Лучше всего показал себя рибозим, отличающийся от ранее полученного варианта десятью точечными мутациями и обозначенный 71-89 для его получения потребовался в общей сложности 71 раунд эволюции. Затем авторы сравнили новую высокоточную РНК-полимеразу и РНК-полимеразу с низкой точностью по способности синтезировать hammerhead и проводить раунды его эволюции. Процесс был организован так же, как в эксперименте 2020 года: о качестве полимеризации говорила способность готовой РНК-структуры к саморасщеплению, соответственно, успешные молекулы hammerhead «проходили в следующий тур» и становились матрицами для синтеза новых копий.
Полимераза с низкой точностью могла поддерживать каталитические свойства субстрата лишь в течение нескольких поколений. Высокоточная полимераза не только справилась с этой задачей на протяжении восьми раундов, но и создала молекулы, превосходящие стартовый вариант по «приспособленности» интересно, что они могли хуже разрезать сами себя, но лучше копировались полимеразой. Таким образом, впервые рибозимы in vitro были использованы для репликации и эволюции других функциональных РНК. Гипотеза РНК-мира получила существенное подтверждение, кроме того, открылись возможности для новых подобных экспериментов. Источник Nikolaos Papastavrou, David P.
Проблема в том, что ингредиенты, такие как ферменты, для работы РНК просто не существовали на ранней Земле.
В течение десятилетий химики проверяли теории о том, как началась жизнь на Земле. Одна гипотеза годами привлекала научное воображение: Мир РНК. Эта теория предполагает, что молекулы пребиотиков рано объединились, чтобы сформировать РНК, молекулы, которые несут инструкции от ДНК в организмах сегодня. Проблема в том, что ингредиенты, такие как ферменты, для работы Мира РНК просто не существовали на ранней Земле.
В то же время было обнаружено, что некоторые РНК, которые получили название "рибозимы", могут выступать в роли белков и ускорять химические реакции.
Получается, что РНК — это курица и яйцо одновременно. Дополнительным аргументом в пользу гипотезы существования древнего мира РНК стало обнаружение в 2019 году рибозы — сахара, входящего в состав РНК — в метеорите.
Как в мир РНК пришли белки
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.
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».
Автор оригинала: Jordana Cepelewicz Десятилетиями теория происхождения жизни с РНК в главной роли занимала лидирующие позиции. Новое исследование может поколебать уверенность в происхождении жизни, основанную на этой теории. Популярная теория утверждает, что жизнь появилась из богатого химикатами супа, в котором первой начала воспроизводить себя РНК. Но комбинация из пептидов и РНК может оказаться более эффективной Четыре миллиарда лет назад, кружась в доисторическом химическом супе Земли, появились первые молекулярные предшественники жизни.
И хотя точное определение этих молекул остаётся темой раздражённых споров, учёные соглашаются на том, что этим молекулам нужно было осуществлять два основных действия: сохранять информацию и катализировать химические реакции. Современные клетки передают эти полномочия, соответственно, ДНК и её белкам — но согласно популярному объяснению, преобладающему в современных исследованиях происхождения жизни и учебниках по биологии, первой эту роль играла РНК , проложив дорогу для ДНК и белков, перехвативших эти обязанности позднее. Эту гипотезу, предложенную в 1960-х и прозванную " миром РНК " двумя десятками лет позднее, сейчас рассматривают, как наиболее вероятное объяснение начала жизни. Хватает и альтернативных «миров», но они обычно считаются резервными теориями, иллюзорными полётами воображения и причудливыми мысленными экспериментами. В основном потому, что гипотеза мира РНК подкрепляется большим числом экспериментальных свидетельств, чем набрали её конкуренты.
В прошлом месяце мы уже сообщали об альтернативной теории , согласно которой похожие на белки молекулы могли стать первыми самовоспроизводящимися молекулами вместо РНК. Но эти находки были чисто вычислительными — тогда исследователи только начинали эксперименты в поисках свидетельств в пользу их заявлений. Теперь же парочка исследователей выдвинула другую теорию — на этот раз включающую совместную эволюцию РНК и пептидов — которая, как они надеются, сможет поколебать основы мира РНК. Почему РНК не хватало Недавние работы, опубликованные в журналах Biosystems и Molecular Biology and Evolution , схематически описывают свидетельства того, что гипотеза мира РНК не обеспечивает достаточных оснований для последовавших эволюционных событий. Вместо этого, говорит Чарльз Картер , структурный биолог из Университета в Северной Каролине, один из авторов работ, их модель делает подходящее предложение.
Чарльз Картер, структурный биолог из Университета в Северной Каролине И этот единственный полимер никак не мог быть РНК, согласно исследованиям, проведённым его командой.
Цепочку химических реакций, приведших к такому результату, и описали немецкие ученые. Они, вероятно, были занесены на раннюю Землю кометами. Из них уже сформировались простые аминопиримидины, которые вступили в реакцию с муравьиной кислотой и образовали амидопиримидины. Они в свою очередь в реакции с сахарами и образовали пурины в больших количествах.