Летающие лисы. Подписаться. Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. Показать больше. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории раскрывают новые доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой первые репликаторы на Земле были РНК-молекулами. Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь.
Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира
Такой неферментативный механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, аналогично регенерации червей, разрезанных на сегменты. Вторая модель предполагала добавление рибозимов, способных к спонтанному образованию и катализированию расщепления, к пулу полимерных РНК-цепочек, которые разрезались при столкновении. Этот процесс позволял созданию молекул РНК, действующих как рибозимы типа hammerhead, способных к саморасщеплению, и, таким образом, начиналось их самовоспроизводство. Репликация полимера осуществлялась за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что может указывать на то, что древние полимеры могли зависеть от таких циклов для своего размножения.
Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. Она отталкивается от того, что один из главных признаков жизни — это передача наследственной информации с учётом изменений, которые в ней произошли.
Нуклеиновые кислоты вполне подходят на роль «первопредков»: они информацию хранят, они могут её копировать, и в той информации, которая в них хранится, возможны изменения — мутации, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными. Однако, если говорить о ДНК, то ей для копирования всё-таки нужна помощью белков. А вот РНК сама способна быть ферментом, сама может осуществлять определённые химические реакции, и, как показали эксперименты, молекулы РНК вполне способны наращивать рибонуклеотидную цепь, то есть РНК может синтезировать РНК. Структура рибосомной субчастицы эукариот; разными цветами обозначены молекулы РНК и белков. Возможно, предками таких сложных молекулярных машин были маленькие комплексы небольших древних РНК и пептидов.
Последние исследования говорят нам о том, что они вполне могли появиться из неорганического сырья либо же их могли принести на Землю метеориты. Но одними нуклеиновыми кислотами дело ведь не ограничилось. Потом появились белки, на которых сейчас держится почти вся клеточная биохимия. Те же белки сейчас занимаются копированием нуклеиновых кислот и синтезом других белков.
Передача микробам Также кажется, что существует небольшая гомология между ферментами, необходимыми для репликации, репарации и рекомбинации ДНК у эубактерий , архей и эукариот : их общий предок, следовательно, не имел определенного количества этих ферментов ненужных при отсутствии генома ДНК. Эти белки затем появились бы независимо в каждой основной линии возможно, в некоторых случаях из вирусных генов. Большое филогенетическое распространение Несмотря на большое структурное и функциональное разнообразие, распределение РНК позволяет заново открыть деление живых существ. Таким образом, небольшие ядрышковые РНК являются общими только у архей и эукариот, теломеразная РНК присутствует только у эукариот, в то время как прокариоты являются единственными, кто обладает тмРНК. Эффективность белка «Четвертичная» структура белка.
Эти белки являются очень эффективными катализаторами, а не рибозимов. Точно так же в живом мире 20 аминокислот , но только четыре нуклеотида, поэтому белки намного разнообразнее РНК. Поэтому с эволюционной точки зрения маловероятно, чтобы белок-фермент был заменен ферментом РНК. И наоборот, если РНК появились задолго до появления белков, вполне вероятно, что они были заменены более эффективными белками. Этот аргумент подтверждается тем фактом, что РНК играет роль в синтезе белка благодаря своей фундаментальной роли в современных рибосомах. Следовательно, РНК каким-то образом привела бы к появлению белков. Следовательно, белки, используемые в структуре рибосомы, должны были появиться позже: первые белки были бы выбраны в соответствии с их способностью улучшать функционирование рибозимов, чтобы в конечном итоге их заменить. Трудности Такие фундаментальные и древние явления очень трудно обосновать, так как долгая эволюция во многом стерла их возможные следы. РНК - сложная и хрупкая молекула.
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. Некоторым ученым это событие кажется маловероятным. Чтобы обойти эту трудность, было высказано предположение, что этому предшествовал предшественник, более простой, чем РНК. Также была выдвинута гипотеза о возникновении и развитии жизни в ледяной среде, при этом РНК легче растет во льду, чем при высоких температурах нуклеотиды естественным образом собираются с образованием цепей РНК, когда они находятся в замороженной среде. Однако успех пребиотического синтеза РНК командой Джона Сазерленда in в 2009 году показывает, что спонтанное появление РНК в «пребиотическом супе» не так невероятно, как первоначально предполагалось. В 2019 году был обнаружен механизм, который позволяет пребиотический синтез нуклеозидов РНК из обоих семейств, пуринов и пиримидинов , в одной и той же среде и путем простой последовательности сухих и влажных эпизодов. Худ и Дэвид М.
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.
Чудо противоречит природе такой, какой мы ее знаем. Но нельзя сказать, что наше знание природы и некоторых ее законов предельно. Наше знание, каких бы высот оно ни достигало, всегда остается таким же несовершенным, ограниченным, как и мы сами. Чудо кажется невозможностью только для тех кто отрицает Бога, как Создателя и Зиждителя Вселенной. Для тех же, кто признает, что за всем творением стоит Творец, как Высший Разум и Всемогущая Сила, вполне понятно, что Бог имеет право и может, для Своих целей, нарушать законы и отменять их. Тем более что установленные Богом законы только временны и для Него не обязательны. Бог может задерживать действие того или иного закона, на тот или иной период времени. Возьмем, для примера, такой случай.
Я бросил стеклянный стакан вверх и знаю, что он, будучи подвержен закону тяготения, упадет на каменный пол и разобьется, но вот, в последний момент я подхватил его и стакан остался целым. Произошло своего рода чудо: — то, что подлежало роковому падению, спасено. Но разве я, совершив это «чудо», нарушил закон тяготения?
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
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. Чудо противоречит природе такой, какой мы ее знаем.
Но нельзя сказать, что наше знание природы и некоторых ее законов предельно. Наше знание, каких бы высот оно ни достигало, всегда остается таким же несовершенным, ограниченным, как и мы сами. Чудо кажется невозможностью только для тех кто отрицает Бога, как Создателя и Зиждителя Вселенной.
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. Молодая Земля не была защищена от вредных — и даже смертельно опасных — компонентов солнечного излучения. Даже современные, испытанные эволюцией организмы были бы неспособны выдержать этого жесткого ультрафиолета — притом что само Солнце было значительно моложе и не давало достаточно тепла планете. Из этого возникла гипотеза о том, что в эпоху, когда творилось чудо зарождения жизни, вся Земля могла быть покрыта толстым — в сотни метров — слоем льда; и это к лучшему.
Скрываясь под этим ледяным щитом, жизнь могла чувствовать себя вполне в безопасности и от ультрафиолета, и от частых метеоритных ударов, грозивших погубить ее еще в зародыше. Относительно прохладная среда могла также стабилизировать структуру первых макромолекул. Научно: Черные курильщики В самом деле, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой еще не содержала кислорода и не имела такой замечательной штуки, как озоновый слой, должно было быть убийственным для любой зарождающейся жизни. Из этого выросло предположение о том, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены существовать где-то, скрываясь от непрерывного потока стерилизующих все и вся лучей.
Например, глубоко под водой — конечно, там, где имеется достаточно минеральных веществ, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись. Ближе к концу ХХ века стало ясно, что океанское дно никак не может быть пристанищем средневековых монстров: условия здесь слишком тяжелые, температура невелика, излучения нет, а редкая органика способна разве что оседать с поверхности. Фактически это обширнейшие полупустыни — за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом.
Насыщенная сульфидами черная вода горяча, активно перемешивается и содержит массу минералов. Черные курильщики океана — весьма богатые и самобытные экосистемы: питающиеся на них бактерии используют железосерные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой для вполне цветущей жизни, включая массу уникальных червей и креветок. Возможно, они были основой и зарождения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе все необходимое для этого.
И в этих фантазиях можно лишь позавидовать воображению древних авторов: по вопросу о том, из чего, как и почему возник космос, откуда и каким образом появилась жизнь — и люди, — версии звучали самые разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна громадным вороном, люди выползали червями из тела первопредка Паньгу, лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения. Научно: Мир РНК В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь — это «единство и борьба» двух начал: изменяющейся и передающейся по наследству информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций — с другой.
Одно без другого невозможно — и вопрос о том, с чего жизнь началась, с информации и нуклеиновых кислот или с функций и белков, остается одним из самых сложных. А одним из известных решений этой парадоксальной задачи является гипотеза «мира РНК», появившаяся еще в конце 1960-х и окончательно оформившаяся в конце 1980-х. РНК — макромолекулы, в хранении и передаче информации не столь эффективные, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций — не столь впечатляющие, как белки. Зато молекулы РНК способны и на то, и на другое, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, и катализируют целый ряд реакций в ней.
В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы. Отмечается, что в современных организмах правильная репликация происходит с помощью ферментов, которых, в свою очередь, не было до появление первых живых клеток.
Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов [27-29].
Необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения. Так как практически каждая наноколония происходит из одной матричной молекулы, с помощью наноколоний можно обнаружить и идентифировать одиночные молекулы ДНК и РНК, в том числе - с диагностическими целями. В настоящее время наноколонии применяются в нашей стране и за рубежом для различных научных и прикладных задач.
Важнейшим направлением исследований является разработка ранней диагностики онколологических заболеваний. В России от разных видов рака умирает около 300 000 человек в год, что представляет большую демографическую, экономическую социальную проблему. Лечение осложняется тем, что у большинства больных болезнь диагностируется уже на поздних стадиях.
С развитием экономики проблема может только усугубляться, так как частота онкологических заболеваний растёт по мере ухудшения экологической обстановки и увеличения продолжительности жизни населения. Эффективность лечения рака зависит от своевременности диагностики. Однако до сих пор проблема ранней диагностики рака не решена.
Наноколонии РНК позволяют создать технологию молекулярной диагностики рака на стадии, когда его ещё невозможно обнаружить существующими методами. Диагностировать болезнь предполагается путём обнаружения в клинических образцах например, в крови, в моче или в мокроте молекул определённых индикаторных "маркёрных" РНК, которые присутствуют во всех раковых клетках независимо от вида рака. Примером такого универсального маркёра является мРНК белковой субъединицы теломеразы - фермента, отвечающего за синтез концевых участков хромосом теломер.
Эта мРНК присутствует и в нормальных стволовых клетках, которые, подобно раковым клеткам, способны к неограниченному делению. Однако, в отличие от раковых клеток, стволовые клетки находятся в своих нишах и не распространяются по организму. Поэтому присутствие теломеразной мРНК там, где стволовых клеток быть не должно например, в плазме или в клетках крови , может служить указанием на наличие злокачественного процесса.
Существуют также РНК, которые могут служить групповыми маркёрами всех видов рака кишечника, или всех видов рака молочной железы, или всех видов рака печени. Попытки использовать РНК-маркёры для молекулярной диагностики рака были и раньше, но из-за ограниченной чувствительности и недостаточной специфичности стандартной ПЦР полимеразной цепной реакции они закончились неудачей. Следует отметить исключительно высокий потенциал наноколоний для диагностики любых заболеваний, для которых существуют РНК- или ДНК-маркёры, в т.
Например, молекула белка в том числе белка-маркёра рака может быть обнаружена путём размножения суррогатной ДНК-мишени, образованной лигированием фрагментов ДНК, способных одновременно связываться с данной молекулой белка посредством специфических лигандов например, антител. Подобным же образом с помощью наноколоний можно обнаружить одиночные молекулы любого вещества например, наркотика или допинга , достаточно сложные для формирования на своей поверхности, по крайней мере, двух участков специфического связывания лигандов [16]. В помощь антибиотикам Важнейшей проблемой современности является быстрая эволюция бактерий в направлении приобретения устойчивости к антибиотикам, приводящая к возрождению многих заболеваний человека.
Профессор Йельского университета США Сидни Альтман, продолжая исследования в области каталитической способности РНК, стал разрабатывать способы борьбы с инфекционными заболеваниями антибактериальная и антималярийная терапия , используя каталитические способности конкретного РНК-фермента - рибонуклеазы Р. Конечная цель - создать препарат, который мог бы быть альтернативой в случае устойчивости инфекции к антибиотикам. На конкретных объектах исследований разрабатываются фундаментальные основы подходов, которые могли бы быть общими для лечения многих инфекционных заболеваний.
В перспективе синтезировать определённые соединения, которые могут быть легко модифицированы для борьбы, как с бактериями, так и с малярией. Это направление исследований представляет перспективную альтернативу применению в медицине антибиотиков, возможности которых стремительно тают. Сидни Альтман разрабатывает это важнейшее направление, в частности, совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН г.
Новосибирск [6]. Как зарождались знания, составляющие основу практического применения теорий и методов молекулярной биологии РНК Лауреат Нобелевской премии за открытие рибозимных свойств РНК Сидни Альтман Олтмен, 1939 г. Заняться молекулярной биологией начинающему учёному Альтману посоветовал русский физик Георгий Гамов.
Он понял, что структуры белков, состоящих из 20 основных природных аминокислот - должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из простых арифметических соображений, Гамов показал, что при сочетании 4-ёх нуклеотидов тройками получается 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации. Таким образом, он был первым, кто предложил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов [17].
Практически генетический код позволил расшифровать метод бесклеточной системы синтеза белка in vitro. Первые результаты в этом направлении были получены в 1961 году, когда М. Ниренберг и Х.
Матеи синтезировали упрощённую форму мРНК, состоящую из одинаковых нуклеотидов и обнаружили, что в её присутствии происходит образование длинной цепи белковоподобной молекулы, состоящей из аминокислот одного-единственного вида. Искусственная мРНК представляла собой полинуклеотид поли-У, в котором все нуклеотиды содержали только одно основание - урацил. Когда поли-У добавляли к экстракту из клеток бактерии E.
Так было обнаружено, что кодон УУУ соответствует фенилаланину. Этот первый успех указал путь, следуя которому в скором времени удалось установить кодоны и для ряда других аминокислот; требовалось только перепробовать различные формы синтетических мРНК. Тогда возник вопрос, каким образом некоторые синтетические мРНК, например поли-У, которые, конечно, не содержат таких кодонов, ухитряются как-то заставлять рибосомы синтезировать полипептиды?
Вероятно, это происходит по ошибке - из-за того, что рибосомы ведут себя «не по инструкции». Следовательно - ирония судьбы! Каковы же те обстоятельства, которые приводят к тому, что эти системы совершают «нужные» ошибки?
Один из факторов был вскоре найден. Им оказалась высокая концентрация магния в бесклеточных системах. Каким образом магний инициирует синтез?
На этот вопрос нет однозначного ответа [25]. О различии молекулярных механизмов формирования морозоутойчивости озимой мягкой пшеницы и озимого ячменя Итак, концентрация магния. Установлено, чем больше содержится магния в рРНК, тем активнее синтезируют белок полифенилаланин рибосомы зародышей пшеницы в бесклеточной системе синтеза белка in vitro на искусственной матрице поли-У [42].
Вполне возможно, что концентрация катионов магния в клетке определяет интенсивность синтеза «ошибочных» полипептидов, предположительно расширяющих адаптационные свойства организмов [19, 20, 21, 25]. Вероятно, этим можно объяснить факт сортоспецифического усиления in vitro трансляционной активности полисом из проростков пшеницы и ячменя под влиянием закаливающей температуры [16, 25], тогда как в этих условиях длина поли-А-хвоста мРНК энхансера трансляции у пшеницы увеличивалась, а у ячменя сокращалась [2, 16]. Но ячмень содержит гораздо больше катионов магния по сравнению с пшеницей [12], что, возможно, и определяло увеличение трансляционной активности рибосом ячменя.
Следовательно, увеличение трансляционной активности полирибосом может происходить как за счёт увеличения длины поли-А-хвоста мРНК как энхансера трансляции пшеница , так и за счёт увеличения содержания катионов магния в рРНК ячмень. Можно полагать, что озимый ячмень формирует морозоустойчивость на основе более древнего молекулярного механизма - адаптационного усиление трансляционной активности за счет вариации в содержании магния в рРНК [11, 13, 22]. Но озимая мягкая пшеница реагирует на закаливающие температуры сортоспецифическим усилением полиаденилирования мРНК [2, 16, 23].
Этот молекулярный механизм, вероятно, более поздний и является более прогрессивным по сравнению с вариациями содержания магния в рРНК. Отсюда, возможно, и более высокая морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы по сравнению с озимым ячменём. Таким образом, есть основания полагать, что повышение морозостойкости сорта озимой мягкой пшеницы сопровождается стабилизацией мРНК и дестабилизацией рРНК.
Предполагается, что стабилизация рРНК определяется укреплением молекулы за счёт катионов магния, в тоже время весьма вероятно, что катионы магния стимулируют укорочение терминальной поли-А-последовательности, определяющей стабильность и трансляционную активность мРНК, через усиление прочности определённых структур мРНК, определяющих скорость её деаденилирования. Эта принципиально важная гипотеза требует детальной экспериментальной проверки. Об особенностях молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 «Генотип должен превалировать над средой».
Вавилов Одним из часто встречающихся, довольно досадным моментом при работе с РНК является их деградация в процессе хранения или манипулирования, даже в случае хорошо очищенных препаратов. Обычно это связывают с наличием РНКаз, занесенных с посудой и реактивами или попавших в препараты РНК в процессе выделения. Однако было показано, что применение мощного ингибитора РНКаз - диэтилпирокарбоната во время выделения РНК с последующей усиленной депротеинизацией полученных препаратов и использование растворов, реактивов и посуды, обработанной диэтилпирокарбонатом и протеиназой К, не приводит к полному предотвращению деградации РНК.
Известно, что если все работы проводить с очищенным препаратом РНК при температуре 0-4оС, то указанной деградации не наблюдается.
Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
Ранее считалось, что на Земле способная к размножению жизнь возникла на основе РНК-молекул (так называемая, гипотеза РНК-мира). Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena, которая способна к автосплайсингу. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира.
Ученые нашли новые доказательства РНК-мира
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. Мир РНК породил идею, что если вы каким-то образом синтезируете РНК, которая может реплицировать и катализировать реакции, все остальное автоматически следует. Часть проблемы заключается в том, что молекулы РНК образуют стабильные структуры, называемые дуплексами.
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. Новые данные, полученные учеными из Брукхейвена, вносят важный вклад в понимание процессов, лежащих в основе зарождения жизни на нашей планете.
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. Источник фото: Фото редакции Исследователи разработали модели, имитирующие случайные разрывы в простых молекулах РНК. Оказалось, что короткие цепочки РНК, действуя как праймеры, могут приводить к образованию большого количества копий разрушенного полимера, аналогично процессу регенерации червей.
Хотя некоторым удается ограничиться незначительным увеличением, для большинства это становится серьезной проблемой. Как сообщает журнал International Immunopharmacology, долгое… SCMP: создана РЛС для обнаружения самолётов-невидимок Китайские ученые совершили прорыв в области обнаружения невидимых для радаров американских самолетов, таких как F-22, F-35 и B-21, что создает серьезную угрозу для военного превосходства США в регионе Тихого океана. Фото Археологическая группа из University of Colorado Boulder обнаружила верхнюю часть огромной статуи фа...
Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК
Гипотеза мира РНК утверждает, что первые жизненные формы могли появиться на основе РНК. Гипотеза о существовании мира РНК получила новую жизнь после исследований, продемонстрировавших то, что молекулы РНК проявляют более высокую каталитическую активность в условиях, сходных с теми, что существовали на Земле миллиарды лет назад. Суть гипотезы РНК-мира заключается в том, что первые формы жизни на Земле могли состоять из РНК-молекул, способных к самовоспроизведению без помощи белковых ферментов. Гипотеза не объясняла, как РНК начали соединяться с белками. Гипотеза о существовании мира РНК получила новую жизнь после исследований, продемонстрировавших то, что молекулы РНК проявляют более высокую каталитическую активность в условиях, сходных с теми, что существовали на Земле миллиарды лет назад.
Решена главная проблема появления жизни на Земле
Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. Ученые многие годы ищут ответ на вопрос, могут ли РНК быть предшественниками жизни в известном нам виде. Исследование специалистов из США преподносит новые доказательства в поддержку гипотезы «РНК-мира» — существования жизни до появления белков и ДНК, в виде рибонуклеиновых кислот. Им удалось получить в лаборатории особую молекулу РНК, запускающую воспроизводство других РНК и появление у них мутаций. Авторы описывают фермент РНК, способный создавать точные копии других функциональных нитей РНК, позволяя со временем возникать новым вариантам этой молекулы.
Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. Она отталкивается от того, что один из главных признаков жизни — это передача наследственной информации с учётом изменений, которые в ней произошли.
Нуклеиновые кислоты вполне подходят на роль «первопредков»: они информацию хранят, они могут её копировать, и в той информации, которая в них хранится, возможны изменения — мутации, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными. Однако, если говорить о ДНК, то ей для копирования всё-таки нужна помощью белков. А вот РНК сама способна быть ферментом, сама может осуществлять определённые химические реакции, и, как показали эксперименты, молекулы РНК вполне способны наращивать рибонуклеотидную цепь, то есть РНК может синтезировать РНК. Структура рибосомной субчастицы эукариот; разными цветами обозначены молекулы РНК и белков. Возможно, предками таких сложных молекулярных машин были маленькие комплексы небольших древних РНК и пептидов. Последние исследования говорят нам о том, что они вполне могли появиться из неорганического сырья либо же их могли принести на Землю метеориты. Но одними нуклеиновыми кислотами дело ведь не ограничилось.
Потом появились белки, на которых сейчас держится почти вся клеточная биохимия. Те же белки сейчас занимаются копированием нуклеиновых кислот и синтезом других белков.
В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета К. Боков и С. Штейнберг, изучив основную составляющую рибосомы бактерии Escherichia coli, 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 образование пептидной связи. 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 от того блока, который при отрыве не разрушается, к тому блоку, который 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, который исследователям удалось детально реконструировать. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. Предполагается, что такая структура возникла в результате дупликации удвоения одной исходной лопасти. Методом искусственной эволюции были получены функциональные РНК рибозимы , способные катализировать транспептидацию. Структура этих искусственно выведенных рибозимов очень близка к структуре той проторибосомы, которую «вычислили» авторы. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А.
Фактически это обширнейшие полупустыни — за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом.
Насыщенная сульфидами черная вода горяча, активно перемешивается и содержит массу минералов. Черные курильщики океана — весьма богатые и самобытные экосистемы: питающиеся на них бактерии используют железосерные реакции, о которых мы уже говорили. Они являются основой для вполне цветущей жизни, включая массу уникальных червей и креветок. Возможно, они были основой и зарождения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе все необходимое для этого. И в этих фантазиях можно лишь позавидовать воображению древних авторов: по вопросу о том, из чего, как и почему возник космос, откуда и каким образом появилась жизнь — и люди, — версии звучали самые разные и почти всегда красивые. Растения, рыбы и звери вылавливались с морского дна громадным вороном, люди выползали червями из тела первопредка Паньгу, лепились из глины и пепла, рождались от браков богов и чудовищ. Все это удивительно поэтично, но к науке, конечно, не имеет никакого отношения. Научно: Мир РНК В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь — это «единство и борьба» двух начал: изменяющейся и передающейся по наследству информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций — с другой.
Одно без другого невозможно — и вопрос о том, с чего жизнь началась, с информации и нуклеиновых кислот или с функций и белков, остается одним из самых сложных. А одним из известных решений этой парадоксальной задачи является гипотеза «мира РНК», появившаяся еще в конце 1960-х и окончательно оформившаяся в конце 1980-х. РНК — макромолекулы, в хранении и передаче информации не столь эффективные, как ДНК, а в выполнении ферментативных функций — не столь впечатляющие, как белки. Зато молекулы РНК способны и на то, и на другое, и до сих пор они служат передаточным звеном в информационном обмене клетки, и катализируют целый ряд реакций в ней. РНК же может быть полностью автономной: она способна катализировать собственное «размножение» — и для начала этого достаточно. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Взять хотя бы наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом Lesley Orgel : если в раствор способной к саморепликации РНК добавить бромистый этидий, служащий для этой системы ядом, блокирующим синтез РНК, то понемногу, со сменой поколений макромолекул, в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые инструменты-белки, а затем — в комплексе с ними — «открыть» для себя и двойную спираль ДНК, идеальный носитель наследственной информации.
По мнению ее сторонников, никакая жизнь вовсе никогда не возникала — как не рождалась и Земля, не появлялся и космос: они просто были всегда, всегда и пребудут. Все это не более обосновано, нежели черви Паньгу: чтобы всерьез принять такую «теорию», придется забыть о бесчисленных находках палеонтологии, геологии и астрономии. А по сути, отказаться от всего грандиозного здания современной науки — но тогда, наверное, стоит отказаться и от всего того, что полагается его жителям, включая компьютеры и безболезненное лечение зубов. Научно: Протоклетки Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь — это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь — это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле — первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин. В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие желтые капли масла, плавающего в воде. В целом идеи ученого принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак, получивший за свои работы Медаль Опарина.
Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков
Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году. В рамках своего проекта ученые поставили под сомнение достоверность гипотезы РНК-мира. Понятно, что существенный аргумент гипотезы РНК-мира состоит в том, что эта гипотеза создает "простой" переходный мостик между абиогенной органикой и клетками.
РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле
Это новое исследование ставит под сомнение гипотезу мира РНК, которая предполагает, что самовоспроизводящиеся молекулы РНК были предшественниками всех современных форм жизни на Земле. Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. 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. 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.
Гипотеза мира РНК
РНК явно потеснили белки на пьедестале главных молекул, обеспечивающих жизнедеятельность клеток [16, 25]. Все рассмотренные аргументы подчёркивают важную, если не исключительную, роль РНК в происхождении жизни на земле. Исследования продолжаются. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов [27-29]. Необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения.
Так как практически каждая наноколония происходит из одной матричной молекулы, с помощью наноколоний можно обнаружить и идентифировать одиночные молекулы ДНК и РНК, в том числе - с диагностическими целями. В настоящее время наноколонии применяются в нашей стране и за рубежом для различных научных и прикладных задач. Важнейшим направлением исследований является разработка ранней диагностики онколологических заболеваний. В России от разных видов рака умирает около 300 000 человек в год, что представляет большую демографическую, экономическую социальную проблему.
Лечение осложняется тем, что у большинства больных болезнь диагностируется уже на поздних стадиях. С развитием экономики проблема может только усугубляться, так как частота онкологических заболеваний растёт по мере ухудшения экологической обстановки и увеличения продолжительности жизни населения. Эффективность лечения рака зависит от своевременности диагностики. Однако до сих пор проблема ранней диагностики рака не решена.
Наноколонии РНК позволяют создать технологию молекулярной диагностики рака на стадии, когда его ещё невозможно обнаружить существующими методами. Диагностировать болезнь предполагается путём обнаружения в клинических образцах например, в крови, в моче или в мокроте молекул определённых индикаторных "маркёрных" РНК, которые присутствуют во всех раковых клетках независимо от вида рака. Примером такого универсального маркёра является мРНК белковой субъединицы теломеразы - фермента, отвечающего за синтез концевых участков хромосом теломер. Эта мРНК присутствует и в нормальных стволовых клетках, которые, подобно раковым клеткам, способны к неограниченному делению.
Однако, в отличие от раковых клеток, стволовые клетки находятся в своих нишах и не распространяются по организму. Поэтому присутствие теломеразной мРНК там, где стволовых клеток быть не должно например, в плазме или в клетках крови , может служить указанием на наличие злокачественного процесса. Существуют также РНК, которые могут служить групповыми маркёрами всех видов рака кишечника, или всех видов рака молочной железы, или всех видов рака печени. Попытки использовать РНК-маркёры для молекулярной диагностики рака были и раньше, но из-за ограниченной чувствительности и недостаточной специфичности стандартной ПЦР полимеразной цепной реакции они закончились неудачей.
Следует отметить исключительно высокий потенциал наноколоний для диагностики любых заболеваний, для которых существуют РНК- или ДНК-маркёры, в т. Например, молекула белка в том числе белка-маркёра рака может быть обнаружена путём размножения суррогатной ДНК-мишени, образованной лигированием фрагментов ДНК, способных одновременно связываться с данной молекулой белка посредством специфических лигандов например, антител. Подобным же образом с помощью наноколоний можно обнаружить одиночные молекулы любого вещества например, наркотика или допинга , достаточно сложные для формирования на своей поверхности, по крайней мере, двух участков специфического связывания лигандов [16]. В помощь антибиотикам Важнейшей проблемой современности является быстрая эволюция бактерий в направлении приобретения устойчивости к антибиотикам, приводящая к возрождению многих заболеваний человека.
Профессор Йельского университета США Сидни Альтман, продолжая исследования в области каталитической способности РНК, стал разрабатывать способы борьбы с инфекционными заболеваниями антибактериальная и антималярийная терапия , используя каталитические способности конкретного РНК-фермента - рибонуклеазы Р. Конечная цель - создать препарат, который мог бы быть альтернативой в случае устойчивости инфекции к антибиотикам. На конкретных объектах исследований разрабатываются фундаментальные основы подходов, которые могли бы быть общими для лечения многих инфекционных заболеваний. В перспективе синтезировать определённые соединения, которые могут быть легко модифицированы для борьбы, как с бактериями, так и с малярией.
Это направление исследований представляет перспективную альтернативу применению в медицине антибиотиков, возможности которых стремительно тают. Сидни Альтман разрабатывает это важнейшее направление, в частности, совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН г. Новосибирск [6]. Как зарождались знания, составляющие основу практического применения теорий и методов молекулярной биологии РНК Лауреат Нобелевской премии за открытие рибозимных свойств РНК Сидни Альтман Олтмен, 1939 г.
Заняться молекулярной биологией начинающему учёному Альтману посоветовал русский физик Георгий Гамов. Он понял, что структуры белков, состоящих из 20 основных природных аминокислот - должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из простых арифметических соображений, Гамов показал, что при сочетании 4-ёх нуклеотидов тройками получается 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации. Таким образом, он был первым, кто предложил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов [17].
Практически генетический код позволил расшифровать метод бесклеточной системы синтеза белка in vitro. Первые результаты в этом направлении были получены в 1961 году, когда М. Ниренберг и Х. Матеи синтезировали упрощённую форму мРНК, состоящую из одинаковых нуклеотидов и обнаружили, что в её присутствии происходит образование длинной цепи белковоподобной молекулы, состоящей из аминокислот одного-единственного вида.
Искусственная мРНК представляла собой полинуклеотид поли-У, в котором все нуклеотиды содержали только одно основание - урацил. Когда поли-У добавляли к экстракту из клеток бактерии E. Так было обнаружено, что кодон УУУ соответствует фенилаланину. Этот первый успех указал путь, следуя которому в скором времени удалось установить кодоны и для ряда других аминокислот; требовалось только перепробовать различные формы синтетических мРНК.
Тогда возник вопрос, каким образом некоторые синтетические мРНК, например поли-У, которые, конечно, не содержат таких кодонов, ухитряются как-то заставлять рибосомы синтезировать полипептиды? Вероятно, это происходит по ошибке - из-за того, что рибосомы ведут себя «не по инструкции». Следовательно - ирония судьбы! Каковы же те обстоятельства, которые приводят к тому, что эти системы совершают «нужные» ошибки?
Один из факторов был вскоре найден. Им оказалась высокая концентрация магния в бесклеточных системах. Каким образом магний инициирует синтез? На этот вопрос нет однозначного ответа [25].
О различии молекулярных механизмов формирования морозоутойчивости озимой мягкой пшеницы и озимого ячменя Итак, концентрация магния. Установлено, чем больше содержится магния в рРНК, тем активнее синтезируют белок полифенилаланин рибосомы зародышей пшеницы в бесклеточной системе синтеза белка in vitro на искусственной матрице поли-У [42]. Вполне возможно, что концентрация катионов магния в клетке определяет интенсивность синтеза «ошибочных» полипептидов, предположительно расширяющих адаптационные свойства организмов [19, 20, 21, 25]. Вероятно, этим можно объяснить факт сортоспецифического усиления in vitro трансляционной активности полисом из проростков пшеницы и ячменя под влиянием закаливающей температуры [16, 25], тогда как в этих условиях длина поли-А-хвоста мРНК энхансера трансляции у пшеницы увеличивалась, а у ячменя сокращалась [2, 16].
Но ячмень содержит гораздо больше катионов магния по сравнению с пшеницей [12], что, возможно, и определяло увеличение трансляционной активности рибосом ячменя. Следовательно, увеличение трансляционной активности полирибосом может происходить как за счёт увеличения длины поли-А-хвоста мРНК как энхансера трансляции пшеница , так и за счёт увеличения содержания катионов магния в рРНК ячмень. Можно полагать, что озимый ячмень формирует морозоустойчивость на основе более древнего молекулярного механизма - адаптационного усиление трансляционной активности за счет вариации в содержании магния в рРНК [11, 13, 22]. Но озимая мягкая пшеница реагирует на закаливающие температуры сортоспецифическим усилением полиаденилирования мРНК [2, 16, 23].
Этот молекулярный механизм, вероятно, более поздний и является более прогрессивным по сравнению с вариациями содержания магния в рРНК. Отсюда, возможно, и более высокая морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы по сравнению с озимым ячменём. Таким образом, есть основания полагать, что повышение морозостойкости сорта озимой мягкой пшеницы сопровождается стабилизацией мРНК и дестабилизацией рРНК. Предполагается, что стабилизация рРНК определяется укреплением молекулы за счёт катионов магния, в тоже время весьма вероятно, что катионы магния стимулируют укорочение терминальной поли-А-последовательности, определяющей стабильность и трансляционную активность мРНК, через усиление прочности определённых структур мРНК, определяющих скорость её деаденилирования.
Эта принципиально важная гипотеза требует детальной экспериментальной проверки. Об особенностях молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 «Генотип должен превалировать над средой». Вавилов Одним из часто встречающихся, довольно досадным моментом при работе с РНК является их деградация в процессе хранения или манипулирования, даже в случае хорошо очищенных препаратов.
Кроме того, эта «репликация» заключается во всех моделях получения комплементарной цепи данной цепи, а не непосредственно идентичной цепи. Только на второй стадии, когда комплементарная цепь реплицируется, фактически синтезируется цепь, идентичная полимеразе. Ни одна из предложенных моделей не предполагает, что полимераза в качестве агента предпочтительно реплицирует в качестве мишени цепи, которые идентичны самой себе. Присутствие полимеразы приводит к репликации всех цепей, присутствующих в растворе. В этих условиях, то селективное преимущество из аллели не состоит, в качестве агента в дублируя другие пряди более или менее быстро так как все выиграют от него , а скорее в качестве мишени в настоящее время дублированы более быстро. При сохранении его дублирования мощностей. Кроме того, группа тимина обозначенная в генетическом коде как T состоит из группы урацила U. Роль тРНК заключается в транспортировке аминокислоты к рибосоме, где будет происходить связывание с другой аминокислотой, с образованием полипептида таким образом давая белок. Существует несколько тРНК, каждая с тремя нуклеотидами: антикодон. Антикодон комплементарен кодону , переносимому мРНК, которая определяет порядок сборки аминокислот рибосомой. Особенность тРНК в том, что, несмотря на свой небольшой размер, она частично состоит из множества нуклеотидов , которые не встречаются в других местах. Таким образом, эти «экзотические» нуклеотиды имели пребиотическое происхождение, остатки мира РНК. Таким образом, эти компоненты присутствуют во всех трех сферах жизни. Для Мари-Кристин Морель «последние играют фундаментальную роль в жизни, и их старшинство не вызывает сомнений». Еще одна удивительная структура: в вирусе TYMV вирус желтой мозаики турнепса инициация трансляции вирусного генома в белок осуществляется через структуру типа тРНК, которая инициирует собственную трансляцию и фиксирует аминокислоту. Структура вируса PSTV. РНК и наследственность РНК играет роль в передаче активности генов: такой механизм называемый эпигенетикой не связан с ДНК и может служить доказательством способности РНК участвовать в « наследственности». В результате использование ДНК в качестве опоры для генетической информации позволило уменьшить количество ошибок при дублировании генов и, следовательно, увеличить их длину и, следовательно, сложность связанного с ними метаболизма. Однако не способность разрешать сложный метаболизм может составлять селективное преимущество для этого перехода, поскольку начальный переход требует установления метаболических путей, связанных с ДНК, что изначально влечет за собой затраты, которые не сразу компенсируются преимуществом, заключающимся в том, что может обеспечить более сложный метаболизм. Некоторые ученые например, вирусолог Патрик Фортерр из Института генетики и микробиологии в Орсе полагают, что именно вирусы являются «изобретателями» ДНК. Фактически известно, что некоторые современные вирусы изменяют свою ДНК, чтобы сделать ее устойчивой к нуклеазным ферментам своего хозяина путем метилирования, гидроксиметилирования и т.
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? Молодой, ему всего 39 лет, профессор Карл Вёзе занимается делом всей своей жизни — молекулярной эволюцией. В какой-то момент Вёзе заметил, что маленькие РНК, участвующие в создании рибосом «машин» по сборке белка на основе генетического кода , — очень удобный материал для изучения мутаций и изменений, возникающих от вида к виду. Это своеобразные хронометры, и Вёзе решил прибегнуть к ним для изучения филогенетических, то есть эволюционных, деревьев. Вообще-то Вёзе хотел опровергнуть довлеющую теорию о том, что археи суть изменившиеся бактерии. Он считал, что всё живое можно разделить на три независимых домена — археи, бактерии и животные — и что археи не просто «странные бактерии», а целое отдельное царство, развивающееся по собственному пути. В конце концов, ему это удалось, но параллельно с открытием доменной структуры жизни Вёзе, всю жизнь изучавший РНК, пришел к неожиданному выводу. Вёзе писал: «Мои эволюционные интересы были сосредоточены в первую очередь на бактериях и археях, эволюция которых охватывает большую часть истории планеты. Используя последовательность рибосомной РНК в качестве единицы измерения эволюции, мы реконструировали филогенетическое древо обеих групп и, таким образом, предоставили обоснованную систему классификации безъядерных организмов. Открытие архей фактически было продуктом этих исследований». Источник: On the evolution of cells И вот накопленные знания об РНК, ее свойствах и способности изменяться наталкивают Вёзе на мысль, что именно РНК была тем «посредником» между миром неорганических молекул и жизнью.
Но это не меняет факта. Эксперимент удался, простимулировал воображение публики и разлетелся на цитаты. После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение тайны происхождения жизни, казалось, вот-вот появится. Но потом выяснилось, что жизнь была сложнее, чем кто-либо думал. Живые клетки были не только мешками с химическими веществами: они были сложнейшими крошечными машинами. Внезапно создание клетки с нуля оказалось гораздо более сложной задачей, чем думали ученые. Часть вторая: раскол в рядах ученых Жизнь очень сложна. К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь была подарком богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь на ранней Земле сформировалась стихийно и естественно — и благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи. Пока Миллер пытался сделать материал жизни с нуля, другие ученые выясняли, из каких генов она состояла. К тому времени многие биологические молекулы стали известны. Сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты вроде «дезоксирибонуклеиновой кислоты», или ДНК, если коротко. Сегодня мы уже привыкли к тому, что ДНК переносит наши гены, но для биологов 1950-х годов это было шоком. Белки более сложные, поэтому ученые думали, что они являются генами. Есть ли жизнь в облаках Венеры? Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и которые должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они и выяснили, что в бактерию попадает вирусная ДНК, а белки остаются снаружи. Очевидно, именно ДНК была генетическим материалом. Их открытие стало одним из величайших научных открытий 20 века. Оно также преобразило поиск происхождения жизни, раскрыв невероятную сложность, которая скрывалась внутри живых клеток. Два «полюса» лестницы выстраивались молекулами-нуклеотидами. Эта структура объяснила, каким образом клетки копируют свою ДНК. Другими словами, она раскрыла, как родители делают копии своих генов и передают детям. Ключевой момент в том, что эту двойную спираль можно «распаковать». Это обнажает генетический код , состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, которые обычно заперты в ступеньках лесенки ДНК. Каждая цепочка затем используется как шаблон для воссоздания копии. С помощью этого механизма гены передавались от родителей к ребенку с самого начала жизни. Ваши гены были переданы древней бактерией — и на каждом шагу копировались, используя механизм, обнаруженный Криком и Уотсоном. Крик и Уотсон изложили свои выводы в статье в Nature в 1953 году. Следующие несколько лет биохимики пытались выяснить точно, какую информацию переносит ДНК и как эта информация используется в живых клетках. Впервые сокровенные тайны жизни были выставлены напоказ. Оказалось, что ДНК делает только одну работу. Ваша ДНК говорит клеткам, как делать белки: молекулы, которые выполняют важнейшие задачи. Без белков вы не могли бы переваривать пищу, ваше сердце остановилось бы и дышать было бы невозможно. Но процесс использования ДНК для создания белков оказался чрезвычайно запутанным. Это стало большой проблемой для любого, кто пытается объяснить происхождение жизни, поскольку трудно представить, как что-то настолько сложное вообще могло появиться само по себе. Каждый белок представляет собой длинную цепь аминокислот, соединенных в определенном порядке. Последовательность этих аминокислот определяет трехмерную форму белка, а значит, и его назначение. Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому когда клетке нужно сделать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот. Но есть нюанс. ДНК очень ценная, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасности. И, наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле под названием «рибосома». Этот процесс протекает в каждой живой клетке, даже у простейших бактерий. Он так же необходим для жизни, как еда и воздух. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица — ДНК, РНК и белок рибосомы — появилась и начала работать. Клетки могут быть невероятно сложными И внезапно идеи Опарина и Холдейна уже кажутся наивными и простыми, а эксперимент Миллера, который произвел несколько аминокислот, и вовсе дилетантским. Его исследование было лишь первым шагом на длинной дороге. Что нам делать, чтобы найти органическую химию, которая будет делать все это за один раз? Первым человеком, который попытался прямо ответить на этот вопрос, стал английский химик Лесли Оргел. Оргел намеревался упростить задачу. В 1968 году, при поддержке Крика, он предположил, что первая жизнь не имела белков или ДНК. Вместо этого она почти полностью была сделана из РНК. В таком случае первичным молекулам РНК приходилось быть особенно универсальными. С одной стороны, они должны были уметь создавать копии самих себя, по-видимому, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК. Идея того, что жизнь началась с РНК, оказала колоссальное влияние. И разразила научную войну, которая продолжается по сей день. ДНК лежит в основе всех живых существ Предположив, что жизнь началась с РНК и кое-чего еще, Оргел по сути предположил, что один из важнейших аспектов жизни — ее способность воспроизводить себя — появился до всех остальных. В некотором смысле он предположил не только, как жизнь появилась: он предположил кое-что о самой сути жизни. Многие биологи согласны с идеей Оргела «сперва воспроизводство». В дарвиновской теории эволюции способность производить потомство находится в центре: это единственный способ для организма «выиграть» — оставить после себя детей. Но у жизни есть и другие функции, которые кажутся одинаково важными. Самая очевидная — это метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания своей жизни. Для многих биологов метаболизм определяет первичную суть жизни, а воспроизводство уже потом. Поэтому начиная с 1960-х годов в рядах ученых, изучающих происхождение жизни, наблюдается раскол. Между тем третья группа поддерживает гипотезу о том, что сперва появился контейнер для ключевых молекул, который не позволял им расплываться. Другими словами, должна была быть клетка — как подчеркивали Опарин и Холдейн за несколько десятков лет до этого — возможно, закрытая мембраной из простых жиров и липидов. Все три идеи приобрели сторонников и сохранились до наших дней. Ученые страстно поддерживали свои идеи, иногда даже совершенно слепо. Неразбериха в рядах ученых достигла апогея, а журналисты, сообщающие о результатах, одни часто говорили, что «другие ученые тупые» или еще хуже. Благодаря Оргелу, идея начала жизни с РНК освежила движение к разгадке. Затем наступили 1980-е, а вместе с ними произошло открытие, которое в значительное степени подтвердило идею Оргела. РНК может быть ключом к началу жизни Часть третья: в поисках первого репликатора Эволюция важнее всего. Итак, после 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые из них были убеждены в том, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточились на важности генетики и репликации. Эта последняя группа начала выяснять, как мог бы выглядеть первый репликатор, подразумевая, что он был сделан из РНК. Уже в 1960-е годы ученые имели основания полагать, что РНК была источником всей жизни. Это одноцепочечная молекула, поэтому, в отличие от жесткой, двухцепочечной ДНК, она может складывать себя в целый ряд различных форм. Похожая на оригами, складывающаяся РНК в целом напоминала по поведению белки. Белки тоже в основном представляют длинные цепи — только из аминокислот, а не нуклеотидов — и это позволяет им создавать сложные структуры. Это ключ к самой удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Такие белки известны как ферменты. Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового. Множество ферментов можно найти у вас в кишках, где они разбивают сложные молекулы из пищи на простые типа сахаров, которые могут использовать ваши клетки. Без ферментов жить было бы невозможно. Лесли Оргел и Фрэнсис Крик начали кое-что подозревать. Если РНК может складываться как белок, возможно, она может и образовывать ферменты? Если бы это было правдой, то РНК могла бы быть оригинальной — и универсальной — живой молекулой, хранящей информацию, как это делает сейчас ДНК, и катализирующей реакции, как это делают некоторые белки. Это была прекрасная идея, но за десять лет она не получила никаких доказательств. Томас Чех, 2007 год Томас Чех родился и вырос в штате Айова. Еще ребенком он был очарован горными породами и минералами. И уже в младших классах средней школы он заглядывал в местный университет и стучался в двери геологов с просьбой показать модели минеральных структур. Однако, в конце концов, он стал биохимиком и сосредоточился на РНК. В начале 1980-х годов Чех и его коллеги по Университету Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм Tetrahymena thermophila. Часть ее клеточного механизма включает цепи РНК. Чех обнаружил, что отдельный сегмент РНК каким-то образом оказался отделен от остальных, словно его вырезали ножницами. Когда ученые убрали все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать молекулярными ножницами, РНК продолжала выделываться. Так они нашли первый фермент РНК: короткий участок РНК, который способен вырезать себя из длинной цепи, частью которой является. Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая группа ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент. Обнаружение двух ферментов РНК одного за другим указывало на то, что их должно быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начала выглядеть солидно. Как грудной имплантат сохранил жизнь женщины Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт также стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека. Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую деятельность, необходимую для сборки самих себя в бульон нуклеотидов». Наконец, они нашли способ создавать белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни, которую мы имеем. Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна за всех» молекула могла сделать всю работу. 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.
Исследователи смешивают РНК и ДНК, чтобы изучить, как началась жизнь на Земле
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира. 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». 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. 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.