Учени от Кеймбридж с доказателство за спонтанното възникване на живота

Учени от университета в Кеймбридж са получили нови доказателства, подкрепящи хипотезата за "РНК-света". Оказва се, че малки сегменти от аминокиселини, съединявайки се с РНК, подобряват каталитичните им свойства и така ги правят по-малко зависими от токсичните йони. А това е необходимо условие за формирането на първите живи клетки, пишат авторите на изследването в статия за списание Nature.

Според хипотезата за РНК-света, животът е възникнал от проста биологична система, в която липсват ДНК и белтъчни молекули. Състояла се е само от комплекси РНК, способни не само да запазват генетичната информация, но и да осъществяват катализа на химичните реакции (в този случай се наричат рибозими). С други думи, съчетавали са в себе си функциите на ДНК и ферментите. След това обединяването на РНК с пептиди и дезоксирибонуклеиновата киселина е довело до възникването на едноклетъчните организми. Това обаче поражда въпроса, каква е била изгодата от взаимодействието между РНК-света и белтъците?

Рибозома на бактерията Thermus thermophilus

Рибозимите, наричани и РНК-полимерази, са съставлявали основната част от РНК-света. Представлявали са своеобразни репликатори - обекти, способни да се самовъзпроизвеждат. Ресурсите за възпроизводството им идват от нуклеотидите в първичния бульон. В началото рибозимите трудно са копирали себе си, защото способностите им да катализират процесите са били неразвити. Често са се появявали грешки, в резултат на което са възниквали рибозими с мутации. Тези изменения са можели да лишат РНК-полимеразата от способността ѝ да катализира химически реакции, но в други случаи се е стигало и до обратния ефект - способността се е подобрявала. С течение на времето рибозимите все по-бързо са успявали да се възпроизведат, при това  с по-висока точност. Така са ставали по-многобройни и са печелили конкурентната борба за ресурси.

По този начин, рибозимите се превръщат в първични геноми, защото съхраняват в себе си генетичната информация за собствената си последователност. По-късно са се инкапсулирали в частиците, образувани от липидните мембрани, което довежда до формирането на първата протоклетка. Учените могат да синтезират аналози на РНК- полимеразни рибозими, които катализират синтеза на други рибозими, или дори копират къси последователности от рибонуклеотиди. Засега обаче не успяват да получат рибозим-репликатор.

Строеж на субединица на рибозома на Thermus thermophilus

Но съществува и друг проблем. Синтезираните в лабораторни условия рибозими са активни само при много високи концентрации на магнезиеви йони, които разрушават липидните мембрани. Това означава, че съществува фундаментална несъвместиомост между рибонуклеиновите РНК-полимерази и процесите по формиране на протоклетките.

Ситуацията се нормализира от това, че РНК-молекулите не са били изолирани от множество други химични съединения, като например пептидите. Рибозимите са имали възможността да се "кооперират" с аминокиселинни последователности, което е повлияло на функциите им. В подкрепа на това е и фактът, че активността на такива рибозими като сплайзомите (изрязват интрони от съзряваща матрична РНК), рибозомите (участват в синтеза на белтъците) и рибонуклеазите Р (катализират деградацията на РНК), зависи от родствените им белтъци. Изследванията показват, че някои белтъци, свързващи се с рибозими, предизвикват изменения във вторичната им структура и функциите им. Например, в случая с рибонуклеазите Р белтъците могат да намалят прага на концентрация на магнезиеви йони, достатъчни за тяхната активност.

Като отчитат това, учените са решили да изяснят, дали пептидите могат да повлияят на функциите на РНК-полимеразните рибозими по подобен начин, намалявайки зависимостта им от магнезия.

За да се отговори на този въпрос е необходимо да се подберат не какви да е белтъци, а само онези, които някога са взаимодйствали с рибозимите в РНК-света. Учените са потърсили отговора в структурата на рибозоми, представляващи своего рода молекулярни реликти. Резултатите от изследването им сочат, че рибозомите в техния съвременен вид, вече са били налични при LUCA — общият прародител на всички съвременни форми на живот.

Изображение на мембранните балончета, получени чрез флуорисцентна микроскопия

В строежа на рибозомите, формирани от белтъци, рибонуклеинови киселини и йони, е записана нейната еволюция. За основа е послужила голяма рибозомна субединица, обогатена с йони на магнезия. Постепенно тя е обраствала с допълнителни модули, в които йоните на магнезия са заменяни от пептиди. Според учените, връзката между рибозимите и аминокиселинните вериги отразява историята на еволюцията на РНК-света и неговото преминаване към РНК-пептиден свят. Точно това цели анализа на действието на пептидите от рибозомите, които се смятат за най-древните белтъчни последователности на Земята.

Изследователите са установили множество пептиди от двете субединци рибозоми на бактерията Thermus thermophilus, които са увеличавали активността на РНК-полимеразния рибозим Z, който осъществява копирането на РНК-молекулите.

Но най-значимо е въздействието на хомополимерния лизинов декапептид (К10) — аминокиселинна последователност от десет лизинови молекули. Той е поддържал функциите на рибозима при ниски концентрации на магнезиеви йони, образувайки пептидно-рибозимен комплекс. Учените предполагат, че това е обусловено от стабилизацията на междинните вещества в каталитичния цикъл.

За да проверят, дали този пептид е могъл да спомогне активността на рибозимите вътре в мембранния компартмънт, изследователите провеждат експеримент. Получават стабилни "балончета", съставени от фосфолипиди и диацилглицерини, вътре в които се инкапсулира РНК. При концентрация на магнезиевите йони 10 милимола (безопасна за мембраните) и при наличие на К10 се установява синтез на РНК, катализиран от рибозими. При липсата на магнезий такъв синтез отсъства.

Това показва, че пептидите действително са позволили на рибозимите да осъществяват каталитична активност при ниски концентрации на токсични йони. В резултат на което, зависимостта на РНК-полимеразите от неорганичните молекули е намалена, а това способства еволюирането им в крайна сметка - формирането и еволюцията на самите клетки.