Десятилетиями теория происхождения жизни с РНК в главной роли занимала лидирующие позиции. Новое исследование может поколебать уверенность в происхождении жизни, основанную на этой теории.
Популярная теория утверждает, что жизнь появилась из богатого химикатами супа, в котором первой начала воспроизводить себя РНК. Но комбинация из пептидов и РНК может оказаться более эффективной
Четыре миллиарда лет назад, кружась в доисторическом химическом супе Земли, появились первые молекулярные предшественники жизни. И хотя точное определение этих молекул остаётся темой раздражённых споров, учёные соглашаются на том, что этим молекулам нужно было осуществлять два основных действия: сохранять информацию и катализировать химические реакции. Современные клетки передают эти полномочия, соответственно, ДНК и её белкам — но согласно популярному объяснению, преобладающему в современных исследованиях происхождения жизни и учебниках по биологии, первой эту роль играла РНК, проложив дорогу для ДНК и белков, перехвативших эти обязанности позднее.
Эту гипотезу, предложенную в 1960-х и прозванную «миром РНК» двумя десятками лет позднее, сейчас рассматривают, как наиболее вероятное объяснение начала жизни. Хватает и альтернативных «миров», но они обычно считаются резервными теориями, иллюзорными полётами воображения и причудливыми мысленными экспериментами.
В основном потому, что гипотеза мира РНК подкрепляется большим числом экспериментальных свидетельств, чем набрали её конкуренты. В прошлом месяце мы уже сообщали об альтернативной теории, согласно которой похожие на белки молекулы могли стать первыми самовоспроизводящимися молекулами вместо РНК. Но эти находки были чисто вычислительными — тогда исследователи только начинали эксперименты в поисках свидетельств в пользу их заявлений.
Теперь же парочка исследователей выдвинула другую теорию — на этот раз включающую совместную эволюцию РНК и пептидов — которая, как они надеются, сможет поколебать основы мира РНК.
Почему РНК не хватало
Недавние работы, опубликованные в журналах Biosystems и Molecular Biology and Evolution, схематически описывают свидетельства того, что гипотеза мира РНК не обеспечивает достаточных оснований для последовавших эволюционных событий. Вместо этого, говорит Чарльз Картер, структурный биолог из Университета в Северной Каролине, один из авторов работ, их модель делает подходящее предложение. «Никогда единый полимер не смог бы выполнять все процессы, необходимые для того, что сейчас характеризуется нами, как часть жизни», — добавляет он.
Чарльз Картер, структурный биолог из Университета в Северной Каролине
И этот единственный полимер никак не мог быть РНК, согласно исследованиям, проведённым его командой. Основным возражением против этой молекулы служит катализ: некоторые исследования показали, что для того, чтобы жизнь начала функционировать, загадочному полимеру необходимо было суметь координировать скорость химических реакций, которые могут идти со скоростями, различающимися по величине на 20 порядков. Даже если бы РНК как-то сумела сделать это в добиологическом мире, её возможности в роли катализатора должны были адаптироваться к обжигающим температурам — порядка 100 °С — преобладавшим на ранней Земле. Когда планета начала охлаждаться, РНК, как заявляет Картер, не смогла бы эволюционировать и поддерживать синхронизацию и далее. Симфония химических реакций вскоре должна была развалиться.
Что, возможно, важнее всего, мир с одной лишь РНК не объясняет появление генетического кода, который подавляющее большинство живых организмов использует сегодня для передачи генетической информации в белки. Код берёт каждую из 64-х возможных трёхнуклеотидных РНК-последовательностей, и совмещает их с одной из 20 аминокислот, использующихся для создания протеинов. На то, чтобы подобрать набор правил, достаточно надёжных для выполнения такой задачи, должно было уйти слишком много времени у одной только РНК, говорит Питер Уиллс, соавтор Картера из Оклендского университета в Новой Зеландии — если мир РНК мог бы дойти до такого состояния, что ему кажется маловероятным. С точки зрения Уиллса, РНК могла бы стать катализатором своего собственного формирования, что сделало бы её «химически рефлексивной», но ей не хватало «вычислительной рефлексивности».
Питер Уиллс, биофизик из Оклендского университета в Новой Зеландии
«Система, использующая информацию так, как организмы используют генетическую информацию — для синтеза собственных компонентов — должна содержать рефлексивную информацию», — сказал Уиллс. Рефлексивная информация, по его определению, это такая информация, которая «будучи закодированной в систему, создаёт компоненты, проводящие именно это определённое декодирование». РНК из гипотезы мира РНК, добавил он, — это простая химия, потому что она неспособна контролировать свою химию. «Мир РНК ничего не говорит вам о генетике», — сказал он.
Природе нужно было найти другой способ, лучший короткий путь к созданию генетического кода. Картер и Уиллс считают, что они открыли этот короткий путь. Он зависит от небольшой петли обратной связи, которая не выросла бы только из РНК, а могла появиться из комплекса пептидов и РНК.
Приобщаем к делу пептиды
Картер обнаружил намёки на этот комплекс в середине 1970-х, когда в институте узнал, что определённые структуры, встречающиеся в большинстве белков, «правосторонние». Атомы в структурах могли быть организованы двумя эквивалентными способами, зеркально отличающимися друг от друга, но все структуры используют только один способ. Большая часть нуклеиновых кислот, составляющих ДНК и РНК, также правосторонние. Картер начал считать РНК и полипептиды дополняющими друг друга структурами, и смоделировал комплекс, в котором «они были созданы друг для друга, как рука и перчатка».
Это подразумевает возможность элементарного кодирования, основу для обмена информацией между РНК и полипептидами. Он работал над набросками того, как этот процесс мог выглядеть, экстраполируя назад от современного, гораздо более сложного генетического кода. Когда гипотеза, которую в 1986 году назвали «мир РНК», набрала популярность, Картер, по его признанию, был выбит из колеи. Ему казалось, что его мир пептидов и РНК, предложенный за десять лет до этого, полностью проигнорировали.
С тех пор он, Уиллс и другие совместно работали над теорией, возвращающейся к тому исследованию. Их главной целью было вывести простейший генетический код, предшествующий современному, более специфичному и сложному. Поэтому они обратились не только к вычислениям, но и к генетике.
В основе их теории лежат 20 «нагрузочных» молекул, аминоацил-тРНК-синтетазы. Эти каталитические ферменты позволяют РНК связываться с определёнными аминокислотами в соответствии с правилами генетического кода. «В каком-то смысле, генетический код записан в особенностях активных точек» этих ферментов, говорит Дженни Хофмейр, биохимик из Стелленбосского университета в Южной Африке, не участвовавшая в исследовании.
Предыдущие исследования показали, что 20 ферментов можно поровну разделить на две группы по 10 штук на основе их структуры и последовательностей. Два этих класса ферментов обладают определёнными последовательностями, кодирующими взаимоисключающие аминокислоты — то есть, эти ферменты должны были появиться из дополняющих цепочек одного древнего гена. Картер, Уиллс и их коллеги обнаружили, что в таком случае РНК кодировала пептиды при помощи набора всего из двух правил (или, иначе говоря, использовала два типа аминокислот). Получившиеся пептиды поддерживали те же самые правила, что управляют процессом передачи, благодаря чему возникает ключевая для этой теории петля обратной связи.
РНК-пептидный мир
Жизнь могла появиться из взаимодействия РНК и пептидов, работавших в качестве первого генетического кода. Самоподдерживающаяся петля реакций создавала бы ферменты, выбирая всего из двух типов аминокислот вместо 20 типов, имеющихся в современных белках.
1) «Нагрузочные ферменты» совпадают с последовательностями баз в РНК и помогают создавать цепочки пептидов из связанных аминокислот первого (красный) и второго (зелёный) класса
2) Цепочки пептидов сворачиваются в функциональные формы
3) В зависимости от формы цепочки выбирают аминокислоты первого или второго класса и становятся активными нагрузочными ферментами.
4) Ферменты взаимодействуют с РНК и доставляют аминокислоты к формирующимся цепочкам
Теорема Гёделя и химия жизни
Картер видит много похожего между этой петлёй и петлёй в математике, описанной философом и математиком Куртом Гёделем, чья теорема о неполноте постулирует, что в любой логической системе обязательно появятся утверждения, которые нельзя доказать или опровергнуть средствами самой этой системы. «Я считаю, что аналогия с теоремой Гёделя даёт довольно сильный аргумент в пользу неизбежности», — сказал Картер.
В недавних работах Картер и Уиллс показывают, что их мир пептидов-РНК решает проблемы с пробелами в истории происхождения жизни, которые неспособна объяснить только одна РНК. «Они дают надёжные теоретические и экспериментальные свидетельства того, что РНК и пептиды совместно участвовали в зарождении генетического кода с самого начала», — сказала Хофмейр, — «и что метаболизм, создание через копирование, передачу и воспроизведение, должны были эволюционировать вместе».
Конечно, модель Картера-Уиллса начинается с генетического кода, существование которого предполагает сложные химические реакции, куда входят такие молекулы, как транспортная РНК и нагрузочные ферменты. Исследователи утверждают, что в предшествовавших предложенному ими сценарию событиях участвовало взаимодействие РНК и пептидов. Однако это предположение оставляет много открытых вопросов о том, как началась такая химия и как она выглядела.
Для ответов на эти вопросы существует множество теорий, выходящих далеко за рамки мира РНК. Некоторые учёные даже применяют подход, противоположный подходу Картера и Уиллса: они считают что самые ранние этапы развития жизни не обязательно должны напоминать ту химию, которая существует сегодня. Дорон Ланцет, исследователь генома из Вайзмановского научного института в Израиле, предлагает альтернативную теорию, базирующуюся на сборке липидов, катализирующих вход и выход различных молекул. Информация передаётся не генетическими последовательностями, а композициями липидов.
Как и модель Картера-Уиллса, идея Ланцета включает не один тип молекул, а огромное их количество. «Собирается всё больше и больше доказательств, — говорит Ланцет, — способных подтвердить эту альтернативную гипотезу». Пока ещё учёные не решили, что именно произошло у истоков жизни, но, судя по всему, они начинают отходить от истории, в которой была исключительно одна лишь РНК. «В корзину с РНК нам нужно положить лишь несколько яиц», — сказала Хофмейр.
Источник
