Как могли пребиотические информационные последовательности ДНК выжить перед лицом конкуренции со стороны огромного избытка более коротких молекул со случайными последовательностями? Ученые Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене теперь показывают, что относительно простой механизм мог добиться цели.
Жизнь - это вопрос энергии - и информации - большого количества информации - точнее, наследственной информации, хранящейся в ДНК, присутствующей во всех живых клетках. Таким образом, кодирующая способность ядерной ДНК каждой клетки млекопитающих эквивалентна примерно 700 Мбайтам. Эта информация накапливалась и успешно передавалась в течение миллиардов лет эволюции. Для таких исследователей, как Дитер Браун (профессор системной биофизики в LMU), которые заинтересованы в понимании того, как возникла жизнь на Земле, один из многих вопросов, которые это поднимает, заключается в том, как самые первые информационные молекулы, которые были сформированы в добиотических условиях, могли превзойти своих многочисленных соперников. с гораздо меньшей информативностью.
В сотрудничестве со своим коллегой, профессором Шоити Тоябэ из Университета Тохоку в Сендае (Япония), который уже совершил много рабочих визитов в свою лабораторию, Браун теперь сообщает о серии экспериментов и моделирования, которые предполагают, что довольно простой механизм может в принципе разрешили парадокс и могли позволить выжить изначальным информационным последовательностям. Это, в свою очередь, означает, что любая полезная генетическая информация, закодированная в таких последовательностях, не обязательно должна исчезать (как мириады случайных последовательностей) обратно в хаос, из которого они возникли, или постепенно фрагментироваться на все более и более короткие молекулы (что наиболее модели первобытного бульона, скорее всего, были воспроизведены) и существенно разбавлены.
Матричный механизм лигирования, предложенный Брауном и Тоябе, является хорошо известным молекулярно-генетическим процессом в современных клетках. Когда две одноцепочечные молекулы ДНК связываются с соседними областями более длинной цепи (матрицы), их можно легко соединить друг с другом (лигировать) с помощью того же механизма, который сначала их породил. «Пока этот простой механизм доступен в преобладающих условиях реакции, совместимые сегменты ДНК могут быть выбраны из случайной смеси последовательностей и помещены в положение, которое позволяет им соединиться вместе для создания более длинной цепи», - объясняет Браун.
Таким образом, в зависимости от относительных концентраций комплементарных последовательностей, создаются условия для межмолекулярного взаимодействия. Более высокие температуры и крутые температурные градиенты - подобные тем, которые, как считается, характеризовали узкие, заполненные водой поры в вулканических породах, в которых мог происходить первичный синтез ДНК, - способствуют связыванию более коротких молекул в более длинные последовательности. Это позволило бы ускорить отбор, удлинение и последующую репликацию более длинных молекул. Другими словами, шаблонное лигирование может создать стабильное большинство, способствуя сборке и репликации последовательностей, достаточно сложных для кодирования первой генетической информации. Для авторов новой статьи «эти кооперативные сети лигирования представляют собой пример нарушения симметрии, хорошо известного механизма формирования структур в физике», - говорит Браун.
В 1970-х годах Манфред Эйген (Нобелевская премия по химии 1967 года) и Питер Шустер разработали свою модель «гиперцикла» как теоретически осуществимый путь от самых ранних пребиотических последовательностей ДНК до стабильной передачи генетической информации. Однако им не хватало экспериментально поддающейся обработке системы, которая позволила бы им более или менее реалистично имитировать пребиотические условия. «Наши экспериментальные работы показывают, что можно получить требуемое стабильное большинство информационных последовательностей в первобытном бульоне, используя самые простые методы», - заключает Браун.