Новое исследование под руководством ученых из Научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) предлагает новый взгляд на популярную теорию о том, как жизнь на Земле зародилась около четырех миллиардов лет назад.
Исследование ставит под сомнение гипотезу «мира РНК», теорию того, как молекулы РНК эволюционировали для создания белков и ДНК. Вместо этого новое исследование предлагает доказательства существования мира, в котором РНК и ДНК развивались одновременно.
«Даже если вы верите в мир, основанный только на РНК, вы должны верить во что-то, что существовало с РНК, чтобы помочь ему двигаться вперед», - сказал Раманарайан Кришнамурти, доцент кафедры химии в TSRI и старший автор новой исследование.«Почему бы не подумать о совместном росте РНК и ДНК, а не пытаться преобразовать РНК в ДНК с помощью какой-то фантастической химии на добиотической стадии?»
Исследование было недавно опубликовано в журнале Angewandte Chemie.
Оглянитесь назад во времени
Исследователи изучали гипотезу мира РНК более 30 лет. Идея этой теории заключается в том, что серия химических реакций привела к образованию самовоспроизводящихся молекул РНК. Затем РНК эволюционировала, чтобы создать белки и ферменты, которые напоминали ранние версии того, что составляет сегодняшнюю жизнь. В конце концов, эти ферменты помогли РНК производить ДНК, что привело к появлению сложных организмов.
На поверхности молекулы РНК и ДНК выглядят одинаково: ДНК образует лестничную структуру (с парами азотистых оснований в качестве перекладин и остовами молекул сахара в качестве боковых сторон), а РНК образует нечто, похожее на одну сторону лестница.
Если теория мира РНК верна, некоторые исследователи считают, что было бы много случаев, когда нуклеотиды РНК смешивались с остовами ДНК, создавая «гетерогенные» нити. Если бы эти смешанные «химеры» были стабильными, они были бы промежуточным этапом в переходе к ДНК.
Проблемы с нестабильностью
Однако новое исследование показывает значительную потерю стабильности, когда РНК и ДНК имеют одну и ту же основу. Химеры не остаются вместе, как чистая РНК или чистая ДНК, что поставило бы под угрозу их способность хранить генетическую информацию и воспроизводиться.
«Мы были удивлены, увидев очень сильное падение того, что мы бы назвали „термической стабильностью“», - сказал Кришнамурти, который помимо своей должности в TSRI имеет совместные назначения с Национальным научным фондом (NSF). Центр химической эволюции Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и сотрудничество Саймонса по происхождению жизни. Эта нестабильность, по-видимому, связана с различием в структуре молекулы сахара ДНК по сравнению с молекулой сахара РНК.
Это открытие подтвердило предыдущее исследование лауреата Нобелевской премии и профессора химии и химической биологии Гарвардского университета Джека Шостака, которое показало потерю функции (нуклеотидсвязывающего аптамера) при смешивании РНК с ДНК.
Из-за этой нестабильности химеры в мире РНК, скорее всего, вымерли бы в пользу более стабильных молекул РНК. Это отражает то, что сегодня ученые видят в клетках: если нуклеотидные основания РНК ошибочно присоединяются к цепи ДНК, сложные ферменты спешат исправить ошибку. Эволюция привела к созданию системы, которая предпочитает более стабильные, «гомогенные» молекулы.
Эти сложные ферменты, вероятно, не существовали во времена ранней эволюции РНК и ДНК, поэтому эти замены, возможно, оказали разрушительное воздействие на способность молекул к репликации и функционированию. «Переход от РНК к ДНК был бы непростым без механизмов, позволяющих разделить их», - сказал Кришнамурти.
Принимая во внимание вторую теорию
Это понимание привело ученых к рассмотрению альтернативной теории: РНК и ДНК могли возникнуть в тандеме.
Кришнамурти подчеркнул, что его лаборатория не первая, кто предложил эту теорию, но результаты исследований химерной нестабильности дают ученым новые доказательства для рассмотрения.
Если бы они эволюционировали одновременно, ДНК могла бы создать свою собственную гомогенную систему на раннем этапе. РНК могла все еще эволюционировать, чтобы произвести ДНК, но это могло произойти после того, как она впервые встретилась с ДНК и узнала ее сырье.
Кришнамурти добавил, что ученые никогда не узнают точно, как зародилась жизнь (за исключением изобретения машины времени), но, учитывая обстоятельства ранней эволюции, ученые могут получить представление об основах биологии.