Ученые создали новый тип системы генетической репликации, которая демонстрирует, как первая жизнь на Земле - в форме РНК - могла воспроизвести себя. Ученые из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета (MRC) говорят, что новая РНК использует систему генетической репликации, не похожую ни на одну из существующих на Земле сегодня в природе.
Популярная теория самых ранних стадий жизни на Земле состоит в том, что она была основана на нитях РНК, химическом родственнике ДНК. Подобно ДНК, нити РНК могут нести генетическую информацию, используя код из четырех молекулярных букв (оснований), но РНК может быть чем-то большим, чем простая «цепочка» информации. Некоторые нити РНК также могут складываться в трехмерные формы, которые могут образовывать ферменты, называемые рибозимами, и проводить химические реакции.
Если бы рибозим мог реплицировать свернутую РНК, он мог бы копировать сам себя и поддерживать простую живую систему.
Ранее ученые разработали рибозимы, которые могли реплицировать прямые нити РНК, но если РНК была свернута, это блокировало ее копирование рибозимом. Поскольку сами рибозимы представляют собой свернутые РНК, их собственная репликация заблокирована.
Теперь, в статье, опубликованной сегодня в журнале eLife, ученые разрешили этот парадокс, создав первый рибозим, способный реплицировать свернутые РНК, включая себя.
Обычно при копировании РНК фермент добавляет одиночные основания (C, G, A или U) по одному, но новый рибозим использует три основания, соединенных вместе в виде «триплета» (например, GAU). Эти триплетные строительные блоки позволяют рибозиму копировать свернутую РНК, потому что триплеты гораздо прочнее связываются с РНК и заставляют ее распутываться, поэтому новый рибозим может копировать свои собственные свернутые нити РНК.
Ученые говорят, что «первичный бульон» мог содержать смесь оснований разной длины - одно, два, три, четыре или более оснований, соединенных вместе, - но они обнаружили, что использование последовательностей оснований длиннее триплета сделал копирование РНК менее точным.
Доктор Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии MRC и старший автор статьи сказал: «Мы нашли решение парадокса репликации РНК, переосмыслив подход к проблеме - мы перестали пытаться имитировать существующую биологию и разработали совершенно новую синтетическую стратегию. Удивительно, что наша РНК теперь может синтезировать сама себя.
Эти триплеты оснований, по-видимому, представляют собой золотую середину, где мы получаем хорошее раскрытие свернутых структур РНК, но точность все еще высока. Примечательно, что хотя триплеты не используются в современной биологии для репликации, синтез белка рибосомой - древней РНК-машиной, которая считается пережитком ранней жизни, основанной на РНК, - происходит с использованием триплетного кода.
Однако это только первый шаг, потому что наш рибозим все еще нуждается в большой помощи с нашей стороны для репликации. Мы предоставили чистую систему, поэтому следующим шагом будет интеграция ее в более сложные смеси субстратов, имитирующие первичный бульон - это, вероятно, была разнообразная химическая среда, также содержащая ряд простых пептидов и липидов, которые могли взаимодействовать с РНК».
Эксперименты проводились во льду при температуре -7°C, поскольку исследователи ранее обнаружили, что замораживание концентрирует молекулы РНК в жидком рассоле в крошечных промежутках между кристаллами льда. Это также полезно для ферментов РНК, которые более стабильны и лучше функционируют при низких температурах.
Д-р Холлигер добавил: «Это совершенно новая синтетическая биология, и есть много аспектов этой системы, которые мы еще не исследовали. определенные положения полимеров РНК для изучения эпигенетики РНК или увеличения функции РНК."
Д-р Натан Ричардсон, глава отдела молекулярной и клеточной медицины в MRC, сказал: «Это действительно захватывающий пример исследования голубого неба, которое позволило понять, как самые зачатки жизни могли возникнуть из ' "первичный бульон" примерно 3,7 миллиарда лет назад. Это не только увлекательная наука, но и понимание минимальных требований для репликации РНК и того, как можно манипулировать этими системами, может предложить захватывающие новые стратегии лечения болезней человека».