Согласно двум новым статьям биохимиков и биологов из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и Университет Окленда. Их гипотеза «пептид-РНК» противоречит широко распространенной гипотезе «мира РНК», утверждающей, что жизнь возникла из нуклеиновых кислот и лишь позже эволюционировала, включив в себя белки.
Новые статьи - одна по молекулярной биологии и эволюции, другая по биосистемам - показывают, как недавние экспериментальные исследования двух суперсемейств ферментов преодолевают сложные теоретические вопросы о том, как сложная жизнь возникла на Земле более четырех миллиардов лет назад.
«До сих пор считалось невозможным проводить эксперименты, чтобы проникнуть в истоки генетики», - сказал соавтор Чарльз Картер, доктор философии, профессор биохимии и биофизики в Медицинской школе Университета Северной Каролины. «Но теперь мы показали, что экспериментальные результаты прекрасно сочетаются с теорией «пептид-РНК», и поэтому эти эксперименты дают весьма убедительные ответы на то, что произошло в начале жизни на Земле».
Особые свойства наследственных версий этих надсемейств ферментов и самоусиливающаяся система обратной связи, которую они должны были сформировать с первыми генами и белками, дали толчок ранней биологии и подтолкнули первые формы жизни к большему. исследователи говорят о разнообразии и сложности.
Соавтор Питер Уиллс, доктор философии, профессор физики Оклендского университета, сказал: «По сравнению с гипотезой мира РНК то, что мы обрисовали в общих чертах, является просто гораздо более вероятным сценарием происхождения жизни.. Мы надеемся, что наши данные и теория, изложенные в этих статьях, будут стимулировать обсуждение и дальнейшие исследования вопросов, касающихся происхождения жизни».
Эти двое ученых полностью осознают, что гипотеза мира РНК по-прежнему доминирует в области исследований происхождения жизни. «Эта теория настолько заманчива и целесообразна, что большинство людей просто не думают, что есть какая-то альтернатива», - сказал Картер. «Но мы очень уверены, что это так».
До того, как на Земле появилась жизнь, существовали простые химические вещества. Каким-то образом они произвели как аминокислоты, так и нуклеотиды, которые в конечном итоге стали белками и нуклеиновыми кислотами, необходимыми для создания отдельных клеток. И отдельные клетки стали растениями и животными. Исследования этого века показали, как первичный химический бульон создал строительные блоки жизни. Существует также широко распространенный научный консенсус относительно исторического пути эволюции клеток в растения и животных.
Но до сих пор остается загадкой, как строительные блоки аминокислот были впервые собраны в соответствии с закодированными шаблонами нуклеиновых кислот в белки, которые сформировали механизмы всех клеток.
Широко признанная теория мира РНК утверждает, что РНК - молекула, которая сегодня играет роль в кодировании, регуляции и экспрессии генов - возвысилась над первобытным бульоном из аминокислот и космических химических веществ, чтобы в конечном итоге дать начало первым короткие белки, называемые пептидами, а затем в одноклеточные организмы.
Картер и Уиллс утверждают, что РНК не может запустить этот процесс в одиночку, потому что у нее отсутствует свойство, которое они называют «рефлексивностью». Он не может применять правила, по которым он создан. РНК нужны были пептиды, чтобы сформировать рефлекторную петлю обратной связи, необходимую, чтобы в конечном итоге привести к формам жизни.
В основе теории пептид-РНК лежат настолько древние и важные ферменты, что их остатки до сих пор обнаруживаются во всех живых клетках и даже в некоторых субклеточных структурах, включая митохондрии и вирусы. Существует 20 таких древних ферментов, называемых аминоацил-тРНК-синтетазами (ааРС).
Каждый из них распознает одну из 20 аминокислот, которые служат строительными блоками белков.(Белки, считающиеся машинами жизни, катализируют и синхронизируют химические реакции внутри клеток.) В современных организмах aaRS эффективно связывает присвоенную ей аминокислоту с цепочкой РНК, содержащей три нуклеотида, комплементарных аналогичной цепочке в транскрибируемом гене. Таким образом, aaRS играют центральную роль в преобразовании генов в белки, в процессе, называемом трансляцией, который необходим для всех форм жизни.
Эти 20 ферментов aaRS принадлежат к двум структурно различным семействам, в каждом из которых по 10 aaRS. Недавние экспериментальные исследования Картера показали, что два предка малых ферментов этих двух семейств кодировались противоположными комплементарными цепями одного и того же малого гена. Простота этой схемы с ее исходным двоичным кодом, состоящим всего из двух видов аминокислот, позволяет предположить, что она возникла на заре биологии. Более того, тесная взаимозависимость инь-ян этих двух родственных, но очень разных ферментов стабилизировала раннюю биологию таким образом, что последующее упорядоченное разнообразие жизни стало неизбежным.
«Эти взаимозависимые пептиды и кодирующие их нуклеиновые кислоты могли бы способствовать молекулярной самоорганизации друг друга, несмотря на постоянные случайные нарушения, которые сопровождают все молекулярные процессы», - сказал Картер. «Мы считаем, что именно это привело к возникновению мира пептидной РНК в начале истории Земли», - сказал Картер.
Связанное исследование, проведенное Картером и его коллегой из Университета Северной Каролины Ричардом Вольфенденом, доктором философии, ранее показало, как близкая химия аминокислот позволила первым ферментам aaRS правильно сворачиваться в функциональные ферменты, одновременно определяя назначения в универсальной таблице генетического кодирования.
«Усиление взаимосвязи между генами и аминокислотами зависит от aaRS, которые сами кодируются генами и состоят из аминокислот», - сказал Уиллс. «AaRS, в свою очередь, зависят от тех же отношений. Здесь работает базовая рефлексивность. Теоретик Дуглас Хофштадтер назвал это «странной петлей». Мы предполагаем, что это тоже сыграло решающую роль в самоорганизации биологии, когда на Земле зародилась жизнь. Хофштадтер утверждал, что рефлексивность является движущей силой роста сложности».
Картер и Уиллс разработали еще две причины, по которым чистая биология РНК вряд ли могла предшествовать биологии пептид-РНК. Одна из причин - катализ - ускорение химических реакций с участием других молекул.
Катализ - ключевая особенность биологии, которую РНК не может выполнять с большой универсальностью. В частности, РНК-ферменты не могут легко приспособить свою активность к изменениям температуры, которые, вероятно, произошли при охлаждении Земли, и поэтому не могут выполнять очень широкий диапазон каталитических ускорений, которые были бы необходимы для синхронизации биохимии ранних клеточных форм жизни. По словам Картера, только пептидные или белковые ферменты обладают такой каталитической универсальностью.
Во-вторых, Уиллс показал, что невозможные препятствия заблокировали бы любой переход от мира чистой РНК к миру белковой РНК и далее к жизни.
«Такой переход от РНК к клеточной жизни потребовал бы неожиданного появления aaRS-подобного белка, который работал бы даже лучше, чем его адаптированный аналог РНК», - сказал Картер. «Это чрезвычайно маловероятное событие должно было произойти не один раз, а несколько раз - по одному разу для каждой аминокислоты в существующем коде гена-белка. Это просто не имеет смысла».
Таким образом, поскольку новая теория Картера-Уиллса на самом деле обращается к реальным проблемам происхождения жизни, которые скрыты целесообразностью гипотезы мира РНК, на самом деле это гораздо более простое объяснение того, как все, вероятно, произошло непосредственно перед жизнь на Земле выросла из первобытного бульона.
Национальный институт общих медицинских наук и Фонд Джона Темплтона финансировали исследование.