Химические реакции, вызванные геологическими условиями на ранней Земле, могли привести к добиотической эволюции самовоспроизводящихся молекул. Ученые из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене теперь сообщают о гидротермальном механизме, который мог способствовать этому процессу.
Жизнь - это продукт эволюции путем естественного отбора. Это урок из книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов», опубликованной более 150 лет назад. Но как началась история жизни на нашей планете? Какой процесс мог привести к образованию самых ранних форм известных нам сейчас биомолекул, которые впоследствии дали начало первой клетке? Ученые считают, что на (относительно) молодой Земле должны были существовать условия, способствующие добиотической молекулярной эволюции. Специальная группа исследователей занимается попытками определить условия, при которых первые пробные шаги в эволюции сложных полимерных молекул из простых химических предшественников могли быть осуществимы. «Чтобы запустить весь процесс, пребиотическая химия должна быть встроена в среду, в которой соответствующая комбинация физических параметров вызывает преобладание неравновесного состояния», - объясняет биофизик LMU Дитер Браун. Вместе с коллегами из Института Солка в Сан-Диего он и его команда сделали большой шаг к определению такого состояния. Их последние эксперименты показали, что циркуляция теплой воды (обеспечиваемой микроскопической версией Гольфстрима) через поры в вулканической породе может стимулировать репликацию нитей РНК. Новые результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Являясь носителями наследственной информации во всех известных формах жизни, РНК и ДНК лежат в основе исследований происхождения жизни. Оба являются линейными молекулами, состоящими из четырех типов субъединиц, называемых основаниями, и оба могут быть реплицированы и, следовательно, переданы. Последовательность оснований кодирует генетическую информацию. Однако химические свойства нитей РНК немного отличаются от свойств ДНК. В то время как нити ДНК образуют знаменитую двойную спираль, молекулы РНК могут складываться в трехмерные структуры, которые гораздо более разнообразны и функционально универсальны. Действительно, было показано, что специфически свернутые молекулы РНК катализируют химические реакции как в пробирке, так и в клетках, как это делают белки. Таким образом, эти РНК действуют как ферменты и называются «рибозимами». Способность воспроизводить и ускорять химические превращения мотивировала формулировку гипотезы «мира РНК». Эта идея постулирует, что во время ранней молекулярной эволюции молекулы РНК служили как хранилищами информации, подобно ДНК, так и химическими катализаторами. Последнюю роль выполняют белки в современных организмах, где РНК синтезируются ферментами, называемыми РНК-полимеразами.
Рибозимы, которые могут связывать вместе короткие нити РНК, а также некоторые, которые могут реплицировать короткие матрицы РНК, были созданы путем мутаций и дарвиновского отбора в лаборатории. Один из этих рибозимов «РНК-полимеразы» был использован в новом исследовании.
Приобретение способности к саморепликации РНК рассматривается как решающий процесс в добиотической молекулярной эволюции. Чтобы смоделировать условия, при которых этот процесс мог бы установиться, Браун и его коллеги поставили эксперимент, в котором 5-миллиметровая цилиндрическая камера служит эквивалентом поры в вулканической породе. На ранней Земле пористые породы подвергались воздействию естественных температурных градиентов. Например, горячие жидкости, просачивающиеся сквозь породы под морским дном, столкнулись бы с более прохладными водами на морском дне. Это объясняет, почему многие исследователи предпочитают подводные гидротермальные жерла для зарождения жизни. В крошечных порах флуктуации температуры могут быть весьма значительны и вызывать теплообмен и конвекционные потоки. Эти условия легко воспроизводятся в лаборатории. В новом исследовании команда LMU подтвердила, что такие градиенты могут сильно стимулировать репликацию последовательностей РНК.
Одной из основных проблем сценария репликации РНК, управляемого рибозимами, является то, что начальным результатом процесса является двухцепочечная РНК. Для достижения циклической репликации нити должны быть разделены («расплавлены»), а для этого требуются более высокие температуры, которые, вероятно, развернут - и инактивируют - рибозим. Браун и его коллеги продемонстрировали, как этого можно избежать. «В нашем эксперименте локальный нагрев реакционной камеры создает крутой температурный градиент, который создает комбинацию конвекции, термофореза и броуновского движения», - говорит Браун. Конвекция перемешивает систему, в то время как термофорез перемещает молекулы по градиенту в зависимости от размера. В результате получается микроскопическая версия океанского течения, такого как Гольфстрим. Это важно, так как он переносит короткие молекулы РНК в более теплые области, в то время как более крупные, чувствительные к теплу рибозимы накапливаются в более холодных областях и защищены от плавления. Действительно, исследователи были поражены, обнаружив, что молекулы рибозима агрегируются, образуя более крупные комплексы, что еще больше увеличивает их концентрацию в более холодной области. Таким образом, время жизни лабильных рибозимов может быть значительно увеличено, несмотря на относительно высокие температуры. «Это было полной неожиданностью», - говорит Браун.
Длина полученных реплицированных нитей все еще сравнительно ограничена. Самые короткие последовательности РНК удваиваются более эффективно, чем более длинные, так что доминирующие продукты репликации сокращаются до минимальной длины. Следовательно, настоящая дарвиновская эволюция, которая способствует синтезу все более длинных нитей РНК, в этих условиях не происходит. «Однако, основываясь на наших теоретических расчетах, мы уверены, что возможна дальнейшая оптимизация наших температурных ловушек», - говорит Браун. Система, в которой рибозим собирается из более коротких цепей РНК, которые он может реплицировать отдельно, также является возможным путем вперед.