Попытка объяснить, как ДНК и РНК эволюционировали, чтобы сформировать такие аккуратные спирали, была печально известной загадкой в науке. Но новое исследование предполагает, что вращение могло легко произойти миллиарды лет назад, когда химические предки РНК случайно закрутились в спиральные нити.
В лаборатории исследователи из Технологического института Джорджии были удивлены, увидев, что они делают это в условиях, которые считаются обычными на Земле незадолго до появления первой жизни: в простой воде, без катализаторов и при комнатной температуре.
Аккуратная спираль также элегантно интегрировала другое соединение, которое сегодня образует основу РНК и ДНК. Получившаяся структура имела черты, сильно напоминающие РНК.
Основные повороты
Исследование подошло на шаг ближе к ответу на вопрос о курином яйце об эволюционном пути, который привел к РНК (из которой позже развилась ДНК): появилась ли сначала спираль, и повлияла ли эта структура на молекулярные компоненты? позже в РНК, потому что они хорошо вписываются в спираль?
«Спиральное скручивание могло иметь усиливающий эффект. Оно могло способствовать соединению молекул, имеющих одинаковую хиральность (кривую), чтобы соединиться в общую основу, которая совместима со спиралевидным скручиванием», - говорится в исследовании. главный исследователь Николас Хад, регентский профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии.
Исследователи опубликовали новое исследование в журнале Angewandte Chemie в декабре 2018 года. Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Программой астробиологии НАСА при Центре химической эволюции. Штаб-квартира центра находится в Технологическом институте Джорджии, и Хад является его главным исследователем.
Полученные в результате исследования полимеры не были РНК, но могли быть важным промежуточным этапом в ранней эволюции РНК. В качестве строительных блоков исследователи использовали базовые молекулы, называемые «протонуклеооснованиями», весьма вероятными предшественниками азотистых оснований, основных компонентов, которые переносят генетический код в сегодняшней РНК.
Парадокс нуклеотидов
Исследование должно было обойти парадокс химической эволюции:
Создание РНК или ДНК с использованием их настоящих азотистых оснований в лаборатории без помощи ферментов живых клеток, которые обычно выполняют эту работу, - более чем геркулесова задача. Таким образом, хотя РНК и ДНК в настоящее время повсеместно распространены на Земле, их эволюция на Земле до возникновения жизни, по-видимому, была аномалией, требующей беспорядочной конвергенции экстремальных условий.
Напротив, модель химической эволюции исследователей Технологического института Джорджии утверждает, что предшественники азотистых оснований легко самособирались в предковые прототипы, которые были похожи на полимеры и назывались сборками, которые позже превратились в РНК.
«Мы бы назвали это «протонуклеооснованиями» или «наследственными нуклеооснованиями», - сказал Хад. «Для нашей общей модели химической эволюции мы говорим, что эти протонуклеооснования, которые самособираются в эти длинные нити, могли быть частью очень ранней стадии до того, как были включены современные азотистое основание».
Одним из основных предполагаемых протонуклеотидов в этом эксперименте - и в предыдущих экспериментах по возможной эволюции РНК - был триаминопиримидин (TAP). Циануровая кислота (CA) была другой. Исследователи сильно подозревают, что TAP и CA были частями прото-РНК.
Химические связи, удерживающие вместе сборки двух предполагаемых протонуклеооснований, были удивительно прочными, но нековалентными, что сродни соединению двух магнитов. В РНК основными связями, скрепляющими современные азотистые основания, являются ковалентные связи, похожие на сварку, и ферменты сегодня создают эти связи в клетках.
Спиральные смещения
Спираль может закручиваться двумя путями, левосторонним или правосторонним. В химии молекула также может быть хиральной, образуя «L» или «D» формы молекулы.
Кстати, все строительные блоки сегодняшних РНК и ДНК представляют собой D-форму, образующую правостороннюю спираль. Почему они так эволюционировали, до сих пор остается загадкой.
Партии TAP и CA, с которых начинали исследователи, производили примерно одинаковое количество правых и левых спиралей, но кое-что выделялось: целые области партии были смещены в одном направлении и были отделены от других областей, которые спиралевидны. в основном наоборот.
«Склонность молекул выбирать одно направление спирали была настолько сильной, что большие области групп состояли преимущественно из однонаправленно скрученных сборок», - сказал Хад.
Это было удивительно, потому что отдельные молекулы TAP и CA не имели собственной хиральности, ни L, ни D. Тем не менее, повороты имели предпочтительное направление.
'Мировой рекорд'
Исследователи добавили еще два эксперимента, чтобы проверить, насколько сильно их РНК-подобные сборки предпочитают создавать одноручные спирали.
Во-первых, они ввели небольшое количество соединений, подобных TAP и CA, но имеющих L- или D-хиральность, чтобы подтолкнуть направление спирали. Вся партия соответствовала хиральности соответствующей добавки, в результате чего сборки закручивались в едином направлении, как сегодня это делают спирали в РНК и ДНК.
«Это был новый мировой рекорд для наименьшего количества хиральной легирующей примеси (добавки), которая могла бы перевернуть весь раствор», - сказал Суниш Карунакаран, первый автор исследования и аспирант лаборатории Хада. «Это продемонстрировало, как легко было бы в природе получить большое количество объединенных спиралей».
Во-вторых, они поместили сахарное соединение рибозо-5-фосфат вместе с TAP, чтобы более точно имитировать текущие строительные блоки РНК. Рибоза встала на место, и получившаяся сборка закрутилась по спирали в направлении, определяемом хиральностью рибозы.
«Эта молекула легко образовывала РНК-подобную сборку, которая была удивительно стабильной, даже несмотря на то, что части удерживались вместе только нековалентными связями», - сказал Карунакаран.
Эволюционная революция
Результаты исследования в таких простых условиях представляют собой скачок вперед в экспериментальных доказательствах того, что спиральная спираль биомолекул могла существовать задолго до возникновения жизни.
Исследование также расширяет растущий объем доказательств, подтверждающих нетрадиционную гипотезу Центра химической эволюции, которая избавляет от необходимости повествования о том, что редкие катаклизмы и маловероятные ингредиенты были необходимы для производства первых строительных блоков жизни.
Вместо этого большинство биомолекул, вероятно, возникло в несколько последовательных шагов, на тихих, омытых дождем грязных равнинах или прибрежных скалах, омываемых волнами. Молекулы-предшественники с нужной реакционной способностью легко сделали возможными эти шаги и произвели обильные материалы для дальнейших эволюционных шагов.
Подвальный инженер
В лаборатории самосборка спирали была настолько продуктивной, что превзошла возможности детекторного устройства по проверке выходных данных. Области размером в квадратный миллиметр и более были упакованы однонаправленными спиралевидными полимероподобными образованиями.
«Чтобы посмотреть на них, мне пришлось настроить оборудование», - сказал Карунакаран. «Я проделал отверстия в фольге и поставил перед лучом нашего спектрополяриметра».
Это работало, но нуждалось в доработке, поэтому Хад отправился в свой подвал дома, чтобы построить автоматический сканер, который мог бы обрабатывать обильные результаты эксперимента. Он выявил большие участки спиралей с одинаковой хиральностью.