Когда родилась Земля, на ней был беспорядок. Метеоры и грозы, вероятно, бомбардировали поверхность планеты, где не могло выжить ничего, кроме безжизненных химических веществ. Как в этом химическом хаосе зародилась жизнь - загадка возрастом в миллиарды лет. Теперь новое исследование предлагает доказательства того, что первые строительные блоки, возможно, соответствовали окружающей среде, начиная с более грязного, чем считалось ранее.
Жизнь состоит из трех основных компонентов: РНК и ДНК - генетического кода, который, подобно менеджерам по строительству, программирует, как управлять клетками и воспроизводить их, - и белков, рабочих, выполняющих их инструкции. Скорее всего, в первых ячейках было все три штуки. Со временем они росли и размножались, соревнуясь в игре Дарвина за создание разнообразия современной жизни: бактерий, грибов, волков, китов и людей.
Но сначала РНК, ДНК или белки должны были сформироваться без своих партнеров. Одна распространенная теория, известная как гипотеза «мира РНК», предполагает, что, поскольку РНК, в отличие от ДНК, может самовоспроизводиться, эта молекула могла появиться первой. В то время как недавние исследования показали, как нуклеотиды молекулы - A, C, G и U, составляющие ее основу, - могли образоваться из химических веществ, доступных на ранней Земле, некоторые ученые считают, что этот процесс мог быть не таким простым.
«Несколько лет назад Лесли Оргел высмеял наивную идею о том, что пулы чистых концентрированных рибонуклеотидов могут присутствовать на примитивной Земле, назвав ее «мечтой молекулярного биолога», - сказал Джек Шостак, лауреат Нобелевской премии, профессор химия, химическая биология и генетика в Гарвардском университете и исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза.«Но как относительно современная гомогенная РНК могла появиться из гетерогенной смеси различных исходных материалов, было неизвестно».
В статье, опубликованной в Журнале Американского химического общества, Шостак и его коллеги представляют новую модель того, как могла возникнуть РНК. Вместо чистого пути он и его команда предлагают начало в духе Франкенштейна, когда РНК вырастает из смеси нуклеотидов со сходной химической структурой: арабино-дезокси- и рибонуклеотидов (АНА, ДНК и РНК).
В химическом плавильном котле Земли маловероятно, что идеальная версия РНК сформировалась автоматически. Гораздо более вероятно, что многие версии нуклеотидов объединились, чтобы сформировать лоскутные молекулы с кусочками как современной РНК, так и ДНК, а также в значительной степени несуществующие генетические молекулы, такие как ANA. Эти химеры, как чудовищный гибрид льва, орла и змеи из греческой мифологии, возможно, были первыми шагами к сегодняшним РНК и ДНК.
«Современная биология опирается на относительно однородные строительные блоки для кодирования генетической информации», - сказал Сохён Ким, исследователь в области химии и первый автор статьи. Итак, если Шостак и Ким правы и молекулы Франкенштейна появились первыми, почему они эволюционировали в гомогенную РНК?
Ким подверг их испытанию: он противопоставил потенциальные первобытные гибриды современной РНК, вручную скопировав химеры, чтобы имитировать процесс репликации РНК. Он обнаружил, что чистая РНК просто лучше - эффективнее, точнее и быстрее - чем ее гетерогенные аналоги. В другом удивительном открытии Ким обнаружил, что химерные олигонуклеотиды, такие как ANA и ДНК, могли помочь РНК развить способность копировать себя. «Интересно, - сказал он, - что некоторые из этих вариантов рибонуклеотидов оказались совместимыми или даже полезными для копирования матриц РНК».
Если бы более эффективная ранняя версия РНК воспроизводилась быстрее, чем ее гибридные аналоги, то со временем она превзошла бы своих конкурентов. Именно это, по теории Шостака, произошло в первобытном бульоне: гибриды превратились в современные РНК и ДНК, которые затем опередили своих предков и, в конце концов, взяли верх.
«Не было необходимости в первоначальном пуле чистых строительных блоков», - сказал Шостак. «Внутренняя химия химии копирования РНК со временем приведет к синтезу все более однородных фрагментов РНК. Причина этого, как ясно показала Сохён, заключается в том, что, когда разные виды нуклеотидов конкурируют за копирование матрицы цепочке всегда выигрывают нуклеотиды РНК, и синтезируется именно РНК, а не какие-либо родственные виды нуклеиновых кислот».
Пока что команда протестировала только часть возможных вариантов нуклеотидов, доступных на ранней Земле. Так что, как и те первые кусочки беспорядочной РНК, их работа только началась.