Миллиарды лет назад молекулы на безжизненной и бурной Земле смешались, образуя первые формы жизни. Эоны спустя, более крупная, более умная форма жизни суетится над лабораторными экспериментами, пытаясь понять свои собственные начала.
В то время как некоторые говорят, что жизнь возникла из простых цепочек молекул, другие говорят, что ранние химические реакции образовывали самовоспроизводящуюся РНК. Родственник ДНК, РНК действует как декодер или мессенджер генетической информации.
Новое исследование предоставляет доказательства идеи РНК, известной как «гипотеза мира РНК». Но, по крайней мере, один ингредиент в ранней РНК может отличаться от того, что содержится в современной форме, сообщила группа ученых 3 декабря в журнале Proceedings Национальной академии наук.
Современная РНК, наряду с ее сахарным и фосфатным остовом, состоит из четырех основных строительных блоков: нуклеиновых оснований, называемых аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и урацил (U).
Но оказывается, что ранняя РНК, возможно, имела одну нуклеиновую основу, которая не является частью современной формы.
В крошечные пластиковые пробирки исследователи помещают воду, немного соли, буфер для поддержания pH основного и ионов магния для ускорения реакций. Эти условия аналогичны тем, которые встречаются в пресноводном озере или пруду, кратерном озере или в виде озера или бассейна в вулканических регионах, таких как Йеллоустонский национальный парк - во всех местах, где могла начаться жизнь.
Затем исследователи добавили небольшой фрагмент РНК, называемый праймером, прикрепленный к более длинному фрагменту РНК, называемому шаблоном. Новая РНК создается, когда праймер копирует матричную РНК посредством спаривания оснований. Нуклеиновые основания однозначно совпадают друг с другом; C связывает только с G, а A связывает только с U.
Исследователи добавили нуклеиновые основания (A, C, G и U), чтобы они могли связываться с шаблоном и, таким образом, удлинять более короткую часть, праймер. Результаты показали, что с ингредиентами из современной РНК реакция не работала достаточно быстро, чтобы РНК могла сформироваться и реплицироваться без ошибок.
Но затем исследователи добавили в смесь другое химическое вещество, называемое инозином, вместо молекулы на основе гуанина. После этого исследователи были удивлены, обнаружив, что РНК может образовываться и реплицироваться немного точнее, чем в смеси с гуанином.
Это сочетание не привело к так называемой «катастрофе ошибок», означающей, что мутации или случайные ошибки в репликациях оставались ниже порога, гарантируя, что они могут быть устранены до накопления.
«Тот факт, что преодолевает проблему катастрофы ошибок, является важной проверкой значимости», - сказал Дэвид Димер, биолог из Калифорнийского университета в Санта-Круз, который не участвовал в исследовании. По словам Димера, его единственное утешение - утверждение, что инозин более правдоподобен при создании примитивной РНК, чем другие альтернативные основания. Он еще не думает, что другие основания должны быть исключены, поскольку «это довольно широкое утверждение… основанное на весьма специфической химической реакции», - сказал Димер в интервью Live Science.
Но поскольку инозин может быть легко получен из другой пары оснований, аденина, он делает процесс зарождения жизни «более легким», чем если бы вам пришлось получать гуанин с нуля, - сказал Джон Сазерленд, исследователь по химическому происхождению молекулярной биологии в MRC. Лаборатория молекулярной биологии в Великобритании, которая также не участвовала в исследовании.
Результаты исследования нарушают «общепринятую точку зрения, что инозин не мог быть полезным», - сказал Сазерленд в интервью Live Science. Инозин заработал эту репутацию, потому что он выполняет очень специфическую работу в форме РНК, называемой трансферной РНК, которая декодирует генетическую информацию.
Считалось, что инозин «колеблется» или связывается с различными парами оснований, а не с одной. Это сделало бы его плохой молекулой для того, чтобы давать уникальные инструкции по формированию новой РНК, потому что не было бы четкого направления, с которым мог бы связываться инозин. Итак, «многие из нас ошибочно думали, что это присущее инозину свойство», - сказал Сазерленд. Но это исследование показало, что инозин, в контексте раннего мира, где РНК впервые появилась, не колеблется, а вместо этого надежно сочетается с цитозином, добавил он.
«Теперь все это имеет смысл, но, исходя из более ранних результатов, мы не ожидали, что инозин будет работать так же хорошо, как и раньше», - сказал старший автор исследования Джек Шостак, профессор химии и химической биологии в Гарвардском университете, который также Нобелевский лауреат.
Сейчас Шостак и его команда пытаются выяснить, как иначе эта примитивная РНК могла бы отличаться от современной РНК - и как она в конечном итоге превратилась в современную РНК. Кроме того, большая часть их лаборатории сосредоточена на том, как молекулы РНК реплицировались до развития ферментов. (Ферменты - это белки, которые ускоряют химические реакции.)
«Это большая проблема», - сказал Шостак в интервью Live Science. «Мы добились большого прогресса, но все еще есть нерешенные головоломки».
Сазерленд также отметил, что область обычно переходит от чистой «гипотезы мира РНК» к той, которая видит больше компонентов, смешанных в котле, который создал жизнь. К ним относятся липиды, пептиды, белки и источники энергии. Он добавил, что, по мнению исследователей, «это менее пуристический мир РНК, чем раньше».
