Безмембранные сборки положительно и отрицательно заряженных молекул могут объединять молекулы РНК в плотные капли жидкости, позволяя РНК участвовать в фундаментальных химических реакциях. Эти сборки, называемые «комплексными коацерватами», также усиливают способность некоторых молекул РНК действовать как ферменты - молекулы, управляющие химическими реакциями. Они делают это, концентрируя ферменты РНК, их субстраты и другие молекулы, необходимые для реакции. Результаты тестирования и наблюдения за этими коацерватами дают ключ к реконструкции некоторых ранних шагов, необходимых для возникновения жизни на Земле в так называемом добиотическом «мире РНК». Статья с описанием исследования ученых из Пенсильванского университета опубликована 30 января 2019 года в журнале Nature Communications.
«Нас интересует, как вы переходите из мира без жизни в мир с жизнью», - сказал Филип С. Бевилаква, заслуженный профессор химии, биохимии и молекулярной биологии в Пенсильванском университете и один из старших авторы статьи. «Можно вообразить много шагов в этом процессе, но мы не рассматриваем самые элементарные шаги. Нас интересует чуть более поздний шаг, чтобы увидеть, как молекулы РНК могут образовываться из своих основных строительных блоков, и могут ли эти молекулы РНК управлять реакциями, необходимыми для жизни, в отсутствие белков».
Жизнь, какой мы ее знаем сегодня, обычно требует генетического материала - ДНК, которая сначала транскрибируется в РНК. Эти две молекулы несут информацию для производства белков, которые, в свою очередь, необходимы для большинства функциональных аспектов жизни, включая производство нового генетического материала. Это ставит дилемму «курица и яйцо» для происхождения жизни на ранней Земле. ДНК необходима для производства белков, но белки необходимы для производства ДНК.
«РНК - или что-то подобное - считается ключом к решению этой дилеммы», - сказал Рагхав Р. Пудьял, научный сотрудник Simons Origins of Life в Пенсильвании и первый автор статьи. «Молекулы РНК несут генетическую информацию, но они также могут функционировать как ферменты, катализирующие химические реакции, необходимые для ранней жизни. Этот факт привел к представлению о том, что жизнь на Земле прошла стадию, когда РНК играла активную роль в содействии химическим реакциям. "Мир РНК" - где самовоспроизводящиеся молекулы РНК одновременно несли генетическую информацию и выполняли функции, которые сейчас обычно выполняют белки."
Еще одна общая черта жизни на Земле заключается в том, что она разделена на клетки, часто с внешней мембраной, или на более мелкие отсеки внутри клеток. Эти отсеки гарантируют, что все компоненты для химических реакций жизни находятся в пределах легкой досягаемости, но в добиотическом мире строительные блоки для РНК - или РНК-ферменты, необходимые для запуска химических реакций, которые могли бы привести к жизни, - вероятно, были бы в дефиците., плавающие в первозданном бульоне.
«Вы можете думать об этих РНК-ферментах, как об автомобиле, который производится на конвейере», - сказал Пудьял. «Если у вас нет деталей в нужном месте на заводе, сборочная линия не работает. Без коацерватов детали, необходимые для химических реакций, слишком разбавлены и вряд ли найдут друг друга, но внутри коацерватов, все части, необходимые ферменту для работы, находятся поблизости».
Поэтому исследователи изучили множество материалов, которые могли существовать на Земле до начала жизни, которые могут образовывать коацерваты - безмембранные протоклетки - и затем выполнять важные функции, такие как секвестрация строительных блоков РНК и объединение РНК-ферментов и их цели.
«Ранее было известно, что молекулы РНК могут собираться и удлиняться в растворах с высокой концентрацией магния», - сказал Пудьял. «Наша работа показывает, что коацерваты, изготовленные из определенных материалов, позволяют этой неферментативной сборке РНК, опосредованной матрицей, происходить даже в отсутствие магния».
Коацерваты состоят из положительно заряженных молекул, называемых полиаминами, и отрицательно заряженных полимеров, которые группируются вместе, образуя безмембранные компартменты в растворе. Отрицательно заряженные молекулы РНК также притягиваются к полиаминам в коацерватах. В коацерватах концентрация молекул РНК в 4000 раз выше, чем в окружающем растворе. Концентрируя молекулы РНК в коацерватах, ферменты РНК с большей вероятностью находят свои мишени для запуска химических реакций.
«Хотя все полиамины, которые мы тестировали, были способны участвовать в формировании богатых РНК капель, они различались по своей способности поддерживать удлинение РНК», - сказала Кристин Китинг, профессор химии в Пенсильванском университете и старший автор исследования. бумага.«Эти наблюдения помогают нам понять, как химическая среда в различных безмембранных компартментах может влиять на реакции РНК».
Хотя мы не можем оглянуться назад, чтобы увидеть точные шаги, предпринятые для формирования первой жизни на Земле, коацерваты, подобные тем, которые мы можем создать в лаборатории, возможно, помогли, облегчив химические реакции, которые иначе не были бы возможно, -- сказал Пудьял.
Кроме Бевилаква, Пудьяла и Китинга, в исследовательскую группу Пенсильванского университета входят Ребекка М. Гут-Мецлер, Эндрю Дж. Винис и Эрика А. Франкель. Исследование проводилось при поддержке Фонда Саймонса и НАСА.