Биологи раскрыли тайну происхождения жизни на Земле

Земля

Биологи, химики и даже математики десятилетиями тработают над проблемой зарождения жизни на Земле.

«Лента.ру» рассказывает о новом исследовании, посвященном проблеме РНК-мира, результаты которого опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые из Портлендского государственного университета, проводя эксперименты над рибозимами, выяснили, что способность этих молекул катализировать собственную сборку зависит от их взаимодействия с другими подобными молекулами. Исследование косвенно подкрепляет гипотезу РНК-мира, которая гласит, что первой органической молекулой, ставшей основой для первых клеток, была РНК. Эти молекулы РНК были способны самосинтезироваться, конкурировать друг с другом и участвовать в пребиотической эволюции, когда наиболее успешные соединения становились базой для более сложных химических комплексов.

Многим известно, что в живых клетках имеются свои специальные катализаторы: ферменты, представляющие собой сложно свернутые белковые молекулы, осуществляющие жизненно важные реакции. Однако ферментами могут быть не только белки, но и цепочки РНК. Напомним, РНК — это нуклеиновая кислота, очень похожая на ДНК, но отличается от нее тем, что в ее состав входит сахар рибоза (а не дезоксирибоза), а одно из азотистых оснований — тимин — заменен на урацил. По мнению ученых, РНК появилась раньше ДНК, поскольку она гораздо стабильнее и может осуществлять каталитические реакции без помощи белков. Молекулы РНК, являющиеся ферментами, называются рибозимами. Как правило, рибозимы катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК.

Одним из самых хорошо изученных рибозимов является Azo — фермент, который изготавливается учеными из самовырезающихся интронов группы I, содержащихся в ДНК бактерии Azoarcus. Интроны — это участки генов, которые не содержат информации о последовательности белка или нуклеиновой кислоты, и вырезаются во время созревания информационной РНК (иРНК). Все интроны группы I катализируют свое собственное вырезание из последовательности РНК. Интересующий ученых интрон-рибозим Azo находится в гене, который кодирует транспортную РНК (тРНК), несущую аминокислоту изолейцин. Внутри клетки Azo, как и другие рибозимы, осуществляет свое собственное вырезание из тРНК, однако в лабораторных условиях он смог научиться осуществлять обратный сплайсинг: рибозим разрезает в определенном месте субстрат — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, кусочки которого остаются прикрепленными к Azo.

Azo состоит примерно из 200 нуклеотидов и может распадаться на два, три или четыре фрагмента, которые спонтанно собираются вместе при температуре 42 градуса Цельсия в присутствии раствора MgCl2. Процесс самосборки начинается со взаимодействия между двумя тройками нуклеотидов (триплетами), принадлежащими разным фрагментам РНК. Когда между триплетами образуются водородные связи по принципу комплементарности, части рибозима меняют свою пространственную структуру и воссоединяются друг с другом. Ученые сфокусировались на реакции самосборки двух фрагментов, которые условно назвали WXY и Z, где W, X, Y и Z представляют собой отдельный участки рибозима длиной примерно в 50 нуклеотидов (Рис.1). На участке W, на переднем конце молекулы РНК, располагается один из триплетов, который участвует в инициации самосборки и называется «внутренней гидирующей последовательностью» (internal guide sequence — IGS). На конце WXY находится триплет tag, который, взаимодействуя с IGS, образует прочную ковалентную связь с фрагментом Z.

Исследователи создали различные варианты (генотипы) фрагментов WXY, меняя нуклеотиды, находящиеся в серединке триплетов IGS и tag (нуклеотиды M и N соответственно). Так как молекулы РНК обычно образованы всего четырьмя типами нуклеотидов, таких вариантов оказалось 16. Например, одним из генотипов может быть 5′-GGG-WXY-CAU-3′, а другим 5′-GСG-WXY-CUU-3′. Все эти варианты молекул могут конкурировать друг с другом, формируя различные метаболические сети, в которых общий ресурс — молекула Z — требуется для восстановления целого рибозима.

В своих экспериментах ученые сначала проверили способность каждого генотипа к самосборке в отдельности. Когда M и N формируют пары Уотсона-Крика (то есть по принципу комплементарности, А — U, C — G), скорость самосборки рибозима становится выше, чем для других типов пар. Затем исследователи смоделировали условия теплого «маленького пруда», в котором различные пребиотические молекулы, взаимодействуя между собой, приобретают выгоды друг от друга и ускоряют процессы самоорганизации. Биохимики проследили за поведением генотипов в паре друг с другом, всего ученые изучили 120 пар, состоящих из двух непохожих вариантов WXY. Они измерили скорость каждой реакции, проходившей между молекулами двух генотипов WXY и фрагментами Z внутри отдельных пробирок в течение 30 минут.

Совместив результаты обоих этапов эксперимента и получив скорости самосборки при взаимодействии двух различных генотипов, исследователи поставили эволюционный эксперимент. Пары генотипов были смешаны в одинаковой пропорции, снабжены Z-фрагментами и реагировали друг с другом в течение пяти минут. В течение этого времени ученые отбирали 10 процентов раствора в новую пробирку, в которой присутствовало большее количество непрореагировавших WXY каждого генотипа и Z-фрагменты. Ученые отслеживали соотношения каждого WXYZ-генотипа в течение восьми таких переносов. Это позволило оценить химический эквивалент эволюционной успешности рибозимов в течение поколений, которая наблюдалась как «взрыв» — то есть сильное увеличение скорости самосборки РНК. В эволюционном эксперименте биологи изучали взаимодействие семи пар рибозимов.

На основе всех лабораторных экспериментов ученые вывели математическую модель дифференциальных уравнений, учитывающих скорость самосборки генотипов в присутствие других генотипов или без них. Эта модель стала основой для новой эволюционной теории игр, где определяются несколько поведений молекул РНК. В одном случае, называемом «Доминирование», один из генотипов всегда встречается чаще, чем другой, при том что его скорость самосборки всегда превышает скорость конкурента. В другом случае — «Кооперация» — оба генотипа, что взаимодействуют друг с другом, получают от «сотрудничества» выгоду, и скорость их самосборки превышает ту, что была бы у них в отдельности друг от друга. «Эгоистичный сценарий» — прямая противоположность «Кооперации» — означает, что каждый рибозим в отдельности получает больше, чем при взаимодействии с кем-то еще. И, наконец, в «Контрдоминировании» генотип с низкой скоростью самосборки неожиданно начинает встречаться чаще, чем его конкурент.

Это исследование не направлено на прямое доказательство гипотезы РНК-мира, однако оно представляет собой еще один элемент в мозаике научных представлений о пребиотической эволюции. Впервые показано, что энзиматические свойства отдельных молекул могут улучшаться в присутствии других молекул, которые отличаются всего лишь одним-двумя нуклеотидами. В гигантском растворе, которым были земные океаны на заре существования жизни, эти молекулы конкурировали друг с другом за субстраты, сотрудничали и усиливали свое действие. На основе этого уже можно предполагать, почему сложные органические соединения стремились объединяться в системы, представляющие собой прообразы первых клеток.

Последние новости
Офицер рассказал о причастности Порошенко к Дебальцево

Офицер рассказал о причастности Порошенко к Дебальцево

Он также приводит факты о которых знает со слова побратимов
Сенцов озвучил сценарии свержения Путина в России

Сенцов озвучил сценарии свержения Путина в России

Режиссер назвал три варианта свержения режима
Эксперт рассказал, как Кравчук и Ко уничтожили средний класс украинцев

Эксперт рассказал, как Кравчук и Ко уничтожили средний класс украинцев

Удовик раскрыл подробности «превращения украинского общества в нищую и легко управляемую массу»
Романенко рассказал, чем грозит Украине удешевление нефти из-за коронавируса

Романенко рассказал, чем грозит Украине удешевление нефти из-за коронавируса

Романенко спрогнозировал, как падение цен на нефть может усугубить проблемы в экономике Украины
Повышение пенсий не спасет украинцев — Сальникова

Повышение пенсий не спасет украинцев — Сальникова

В 2028 году примерно у 45% людей не будет возможности выйти на пенсию в 60 лет
У Гончарука анонсировали получение Украиной еще одного безвиза

У Гончарука анонсировали получение Украиной еще одного безвиза

Кабмин планирует подписание двустороннего договора еще с одной страной
Экспертная среда в Украине, украинизация и новый проект закона о цензуре в СМИ

Экспертная среда в Украине, украинизация и новый проект закона о…

Сегодня о последствиях принятия закона "О медиа" общество молчит. А ведь это не просто смерть СМИ. Это смерть и СМИ, и свободы слова, и, неизбежно, рынка в нашей стране.
Гончарук озвучил меры по борьбе с нелегальным трудоустройством украинцев

Гончарук озвучил меры по борьбе с нелегальным трудоустройством украинцев

Премьер-министр Украины рассказал, что делает правительство для защиты людей труда
Разумков отчитал нардепов за плохое поведение в Раде

Разумков отчитал нардепов за плохое поведение в Раде

Спикер парламента рассказал о возмущении украинцев, когда они наблюдают за работой парламента
Твари дрожащие или право имеем?

Твари дрожащие или право имеем?

Закон "О медиа" и "О дезинформации" нужно оставить любой ценой, если вы намерены жить в демократической Украине.
Налоги в Украине будут платить по новой схеме

Налоги в Украине будут платить по новой схеме

Изменение коснется далеко не всех жителей страны
Полиция вернула Maruv часть украденных вещей: фото, видео

Полиция вернула Maruv часть украденных вещей: фото, видео

Певица сможет получит остальное после всех необходимых экспертиз
Bellingcat связала убийство Хагошвили в Берлине с ФСБ

Bellingcat связала убийство Хагошвили в Берлине с ФСБ

Авторы расследования сумели отследить звонки подозреваемого до поездки в Берлин
Джокер показал переписку с главой НАБУ Сытником от имени Вакарчука

Джокер показал переписку с главой НАБУ Сытником от имени Вакарчука

Пранкер узнал об отношениях Сытника с Порошенко и "суровых месседжах" власти
Максимальный размер алиментов увеличат почти в 20 раз

Максимальный размер алиментов увеличат почти в 20 раз

Украинцам показали, как и когда будут расти суммы алиментов
Украинцам показали, как договор с Газпромом «снизил» цены на газ

Украинцам показали, как договор с Газпромом «снизил» цены на газ

Договор о транзите газа через Украину не помог снизить цены в платежках
Луценко назначили по просьбе Байдена, и он «слил» все дела, — СМИ

Луценко назначили по просьбе Байдена, и он «слил» все дела,…

Французская документалка «Украинагейт» раскрыла подробности назначения Луценко на должность генпрокурора
Семь вопросов базовых вопросов для родителей и детей об образовании

Семь вопросов базовых вопросов для родителей и детей об образовании

Отсутствие амбиций у Украины не позволяет ей создать эффективную систему образования. Что такое современная система образования и что нужно делать, чтобы ваши дети были успешными в учебе и жизни.
Милованов представил стратегию экономического роста Украины

Милованов представил стратегию экономического роста Украины

Министр экономики Украины презентовал правительственную стратегию экономического роста Украины
МОЗ рассказало о состоянии зараженных коронавирусом украинцев с лайнера Diamond Princess

МОЗ рассказало о состоянии зараженных коронавирусом украинцев с лайнера Diamond…

Замглавы Минздрава рассказал о самочувствии украинцев с коронавирусом
Клэр Раскин из Cambridge Network рассказала о научном парке, патентах и ценах на фарму

Клэр Раскин из Cambridge Network рассказала о научном парке, патентах…

Кембридж как пример для подражания
Романенко оценил скандальные 12 пунктов по Донбассу

Романенко оценил скандальные 12 пунктов по Донбассу

Украина не представила никакого четкого плана относительно того, что для нее является красными линиями
Жадан назвал главный запрос общества к Зеленскому

Жадан назвал главный запрос общества к Зеленскому

Писатель очертил "красную линию" для украинских политиков
Соратник Порошенко Бирюков извинился перед военными

Соратник Порошенко Бирюков извинился перед военными

Соратник экс-президента в ответ на идею "СН" оправдался за свои слова бойцам Вооруженных сил
Xiaomi запатентовала смартфон с двумя экранами

Xiaomi запатентовала смартфон с двумя экранами

Основной экран смартфона занимает практически всю лицевую панель
50-летняя Джей Ло выложила соблазнительное фото в бикини

50-летняя Джей Ло выложила соблазнительное фото в бикини

Звезда фильма "Стриптизерши" показала себя во всей красе
В ПриватБанке ответили, за что могут забрать кредитный лимит

В ПриватБанке ответили, за что могут забрать кредитный лимит

Никто не застрахован, даже клиенты с идеальной кредитной историей
МОЗ отказалось от эвакуации из Уханя украинцев с подозрением на коронавирус

МОЗ отказалось от эвакуации из Уханя украинцев с подозрением на…

Из Уханя на территорию Украины эвакуируют только здоровых людей
Мендель уверена, что Зеленский в Мюнхене заткнул Порошенко «за пояс»

Мендель уверена, что Зеленский в Мюнхене заткнул Порошенко «за пояс»

Пресс-секретарь президента процитировала немецкое издание, которое дало оценку выступлению президента на Мюнхенской конференции
В Мюнхене Порошенко не пропустили на панель к Зеленскому

В Мюнхене Порошенко не пропустили на панель к Зеленскому

Экс-президент попал в неприятную ситуацию
Читай также
Последние новости

Офицер рассказал о причастности Порошенко к Дебальцево

Сенцов озвучил сценарии свержения Путина в России

Эксперт рассказал, как Кравчук и Ко уничтожили средний…

Романенко рассказал, чем грозит Украине удешевление нефти из-за…

Повышение пенсий не спасет украинцев — Сальникова

У Гончарука анонсировали получение Украиной еще одного безвиза

Экспертная среда в Украине, украинизация и новый проект…

Гончарук озвучил меры по борьбе с нелегальным трудоустройством…

Разумков отчитал нардепов за плохое поведение в Раде

Твари дрожащие или право имеем?

Налоги в Украине будут платить по новой схеме

Полиция вернула Maruv часть украденных вещей: фото, видео

Bellingcat связала убийство Хагошвили в Берлине с ФСБ

Джокер показал переписку с главой НАБУ Сытником от…

Максимальный размер алиментов увеличат почти в 20 раз