На протяжении десятилетий химики проверяли теории о том, как зародилась жизнь на Земле. Одна гипотеза привлекала внимание ученых в течение многих лет: Мир РНК. Эта теория предполагает, что пребиотические молекулы рано соединились, чтобы сформировать РНК, молекулы, которые несут инструкции от ДНК в современных организмах. RNA World утверждает, что когда РНК сформировалась на Земле, она начала воспроизводить себя, а позже дала начало таким молекулам, как ДНК.
Мир РНК - увлекательная теория, - говорит Раманарайанан Кришнамурти, доктор философии, доцент кафедры химии Scripps Research, - но она может и не соответствовать действительности. Проблема в том, что ингредиенты, такие как ферменты, необходимые для работы Мира РНК, просто не существовали на ранней Земле.
«Мир РНК породил идею о том, что если вы каким-то образом синтезируете РНК, которая может воспроизводить и катализировать реакции, все остальное автоматически следует за этим», - говорит Кришнамурти, член коллаборации Саймонса по происхождению жизни. и проводит совместную встречу с Центром химической эволюции, совместно финансируемым программой НАСА по астробиологии и Национальным научным фондом. «Это не так, потому что RNA World полагается на репликацию самой РНК, что очень сложно».
Часть проблемы заключается в том, что молекулы РНК образуют стабильные структуры, называемые дуплексами. Эти структуры обладают так называемой сильной связывающей способностью. Это означает, что молекулы РНК с трудом отделяются друг от друга и действуют как матрицы для дальнейшей репликации в отсутствие ферментов.
Кришнамурти теперь имеет экспериментальные доказательства того, что процесс жизни на Земле мог начаться с молекул, которые выглядели как смесь РНК и ДНК. В последнем выпуске Nature Chemistry он и первый автор исследования Субхенду Бховмик, доктор философии, также из Scripps Research, сообщают, что эти смешанные молекулы образуют нестабильные дуплексы и имеют меньшее сродство друг к другу. Удивительно, но эти «химеры» имеют более сильное сродство к РНК и ДНК, что позволяет им действовать как шаблоны для создания РНК или ДНК.
На самом деле, исследователи смогли сформировать эти химеры в лабораторных условиях и показать, что они обладают потенциалом для репликации РНК и ДНК, а сформированные таким образом РНК и ДНК способны воспроизводить химеры. Такое поведение может привести к кросс-каталитической амплификации РНК и ДНК - ключевой шаг к эволюции сложных организмов.
«Провокационным следствием этого исследования является то, что РНК и ДНК могли появиться одновременно, а не широко распространенная теория мира РНК, согласно которой сначала появляется РНК, а затем рождается ДНК», - говорит Кришнамурти. «Это означает, что смеси РНК и ДНК могли сосуществовать."
В современных организмах ДНК и РНК выполняют очень разные роли в наших клетках. Новый проект экспериментально поддерживает идею о том, что жизнь могла возникнуть из гораздо более грязной системы, где еще не существовало «чистых» РНК и ДНК. Как говорит Кришнамурти: «Не иметь чистой химии - это нормально».
В работе, возглавляемой Бховмиком, научным сотрудником исследовательской лаборатории Кришнамурти Скриппса, команда также создала «гетерогенные» смешанные молекулы, состоящие из РНК и синтетической молекулы под названием TNA, которая была предложена в качестве вероятного предка РНК. («пре-РНК»). ТНК очень похожа на РНК, но ученые заменили один тип молекулы сахара (рибозу) другим (треозой). Это позволяет ТНК перекрестно спариваться с РНК и ДНК. Кришнамурти и Бховмик говорят, что такая молекула, как TNA, могла осуществить это перекрестное спаривание в самом начале эволюции, что привело к параллельному образованию TNA и РНК..
Смешивая РНК-ДНК, исследователи показали, что можно было бы сформировать смешанную молекулу, которая могла бы работать в качестве матрицы для РНК и ДНК. Эта смешанная молекула также является высокоэнергетической системой в том смысле, что она образует нестабильные дуплексы. Новое исследование показывает, что эти нестабильные дуплексы (системы с более высокой энергией) способны давать начало РНК и ДНК, которые образуют более стабильные дуплексы (системы с более низкой энергией). Таким образом, имеет место термодинамически выгодное движение от химерных систем (менее стабильных, более высокоэнергетических) к гомогенным системам (более стабильных, низкоэнергетичных).
«Гибридная система, подобная этой, могла бы помочь в эволюции гомогенных систем», - говорит Бховмик.
Мы никогда не узнаем точно, как сформировалась ранняя жизнь, но эксперименты, по крайней мере, показывают химические реакции, которые могли в конечном итоге привести к чистым последовательностям РНК и ДНК, поддерживающим жизнь сегодня. Работа также подтверждает результаты исследования Scripps Research 2018 года, которое показало, как сконструированная бактерия может функционировать со смешанным геномом РНК-ДНК.
Кришнамурти говорит, что дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на том, какие ингредиенты, необходимые для химер РНК-ДНК, были бы доступны на добиотической Земле. Ученые использовали несколько молекул, которые, вероятно, не были доступны в то время, хотя подобные ингредиенты должны были существовать. Новое исследование дает исследователям «доказательство принципа» того, что эти реакции могут работать, и Кришнамурти планирует продолжить дальнейшие эксперименты, чтобы изучить пути того, как молекулы жизни могли собраться вместе. «Это исследование - первый шаг в этом направлении», - говорит он.
Кришнамурти также интересуется тем, как химеры РНК-ДНК можно использовать в исследованиях медицинской химии. Он говорит, что эти смешанные системы могут помочь исследователям преодолеть некоторые трудности в генетическом секвенировании.