Эксперимент Маркуса Брея был настолько смелым, что даже он боялся, что он провалится.
В системе внутри клеток, которая переводит генетический код в жизнь, он заменил около 1000 основных стержней примитивными заменителями, чтобы посмотреть, выживет ли и будет ли функционировать трансляционная система. Это казалось невозможным, но работало плавно, и у Брея были убедительные доказательства того, что великий строитель белков был активен в суровых условиях, в которых он эволюционировал 4 миллиарда лет назад..
Успех эксперимента подтвердил место трансляционной системы в самых ранних основаниях жизни на Земле.
Каждое живое существо существует, потому что система трансляции получает сообщения от ДНК, доставленные ей РНК, и переводит сообщения в белки. Система основана на клеточном механизме, называемом рибосомой, который состоит из множества больших молекул РНК и белка и повсеместно присутствует в жизни, какой мы ее знаем.
«Нет ничего живого без рибосом», - сказал Лорен Уильямс, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии. «Рибосома - это старейшая и наиболее универсальная часть биологии, и ее происхождение восходит к тому времени, когда Земля сформировалась и остыла."
Ешь свой магний
Те стержни, которые Брей выдернул и заменил, были ионами металлов (атомами с зарядами, в данном случае положительными).
В сегодняшней рибосоме и во всей трансляционной системе это ионы магния, и в эксперименте Брея их всех заменили ионами железа и ионами марганца, которых на первичной Земле было в избытке. Уильямс и Дженнифер Гласс, главные исследователи нового исследования, также сомневались, что это выполнимо.
«Я подумал: «Это не сработает, но мы могли бы попробовать и лунный выстрел», - сказал Уильямс, который ранее руководил подобной работой, но с более простыми молекулами. «Тот факт, что замена всего магния в трансляционной системе действительно сработала, ошеломляет».
Это потому, что в современных живых системах магний помогает формировать рибосомы, удерживая их вместе. Магний также необходим примерно для 20 дополнительных ферментов трансляционной системы. Это одна из причин, почему диетический магний (Mg) так важен.
«Число различных действий, которые магний выполняет в рибосомах и в системе трансляции, просто огромно», - сказал Уильямс. «Существует так много типов каталитической активности в трансляции, и магний участвует почти во всех из них».
Извергающая лаву Земля
Когда зародилась первая жизнь, трещины в земной коре все еще изрыгали лаву, и падения метеоритов были обычным явлением. Не было пригодного для дыхания кислорода, а планета была переполнена железом и марганцем.
Это, возможно, сделало их привлекательными для трансляционной системы для использования в качестве доминирующих ионов. Магний, вероятно, тоже был задействован, хотя он, вероятно, был менее доступен, чем сегодня.
Исследователи хотели знать, развилась ли трансляционная система сначала, чтобы функционировать с этими другими металлами в качестве их стержней. Итак, Брей, дипломированный научный сотрудник в лаборатории Уильямса и в лаборатории Гласса, заменил на них ионы магния, tabula rasa.
«У нас не было серьезных оснований полагать, что это сработает, и для всех нас это стало огромным сюрпризом, - сказал Брей. И это убедительно подтвердило, что трансляционная система могла бы процветать в условиях ранней Земли.
Брэй, соавтор Тимоти Ленц и главные исследователи Гласс и Уильямс опубликовали свои результаты в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 9 ноября 2018 года. Исследование финансировалось программой NASA Exobiology. Гласс - доцент Школы наук о Земле и атмосфере Технологического института Джорджии.
'Результаты переписывания учебников'
Удивительно, но атомарные замены почти не изменили форму рибосомы.
«Совершенно невероятно, что это сработает, потому что биология очень специфично использует вещи. Измените один атом, и он может разрушить целый белок», - сказал Уильямс. «Когда мы исследовали структуру, мы увидели, что все три металла делают со структурой практически одно и то же."
Когда они протестировали работу трансляционной системы с заменой магния железом, она оказалась на 50-80% эффективнее обычной (с магнием). «Марганец работал даже лучше, чем железо», - сказал Брей.
«Я думаю, что это могут быть результаты переписывания учебника, поскольку вся область исследований рибосом связана с магнием», - сказал Брей. «Теперь, с тем, что мы сделали, больше не работает только магний».
Первобытная газовая палатка
Bray инкубировал рибосомы в присутствии магния, железа или марганца внутри специальной камеры с искусственной атмосферой, лишенной кислорода, как на Земле четыре миллиарда лет назад.
Он обнаружил, что замена магния выходит далеко за рамки атомов в рибосоме.
"Рибосому также окружает огромное облако атомов магния. Оно называется атмосферой, или оболочкой, и полностью поглощает ее. Я заменил все, включая это, и вся система все еще работала."
Эволюция трансляционной системы в присутствии магния, возможно, дала ей адаптивное преимущество. По мере того, как уровень кислорода на Земле повышался, связывая свободный марганец и железо и делая их менее доступными для биологии, магний, вероятно, спокойно взял на себя те тысячи ролей, которые он играет сегодня в системе трансляции.