Ученые близки к разгадке тайны появления жизни. Ответ за пределами Земли

5 Апреля 2024

МОСКВА, 5 апреля -

— Три главных биополимера образуют жизнь — ДНК, РНК и белки. ДНК хранит генетическую информацию, она как сейф. Получили удачный вариант и перевели его в форму ДНК, где он остается неизменным в протяжение многих поколений. В этом ряду РНК — уникальная молекула. Как и ДНК, она несет генетическую информацию, но, кроме того, быстро эволюционирует. РНК способна служить матрицей для синтеза белка, ДНК и себя самой. В отличие от ДНК и белков, РНК самодостаточна. В 1982-м вскрыли, что она может катализировать, то есть убыстрять, биохимические реакции. В 2000-м установили: именно РНК катализирует реакции образования пептидных связей, приводящие к синтезу белков. Тогда Александру Сергеевичу Спирину стало ярким, что жизнь зародилась в конфигурации РНК, и он начал развертывать свою концепцию.

— Александр Борисович, кто все-таки автор идеи?

— Считается, что об таком раньше всех, в 1968-м, написали англичанин Френсис Крик и гражданин сш Лесли Оргел — одни из пионеров двойной спирали ДНК. Однако за 11 лет до этого ту же идею высказал совковый биохимик, учитель Спирина академик андрон Николаевич Белозерский. И хотя задевало было на интернациональном симпозиуме по происхождению жизни, на Западе это не заметили.

Спирин развил идею в концепцию, опираясь и на наши разработки.

— В какой нюанс появляется РНК и, что этому предшествует?

— Для начала нужны нуклеозидфосфаты (органические сплавления, из коих состоят РНК, ДНК. — Прим. ред. ). Они могли обобщаться спонтанно, например, при ненастных разрядах в бескислородной атмосфере. В 1992-м выяснили, что модифицированные нуклеозидфосфаты способны сами собой объединяться в короткие олигонуклеотиды. Затем мы в Пущино обнаружили, что между молекулами РНК возможна спонтанная (самопроизвольная) рекомбинация, приводящая к их объединению и обмену участками. Спирин предположил, что эта реакция и послужила первичным способом возникновения молекул РНК. Путем спонтанной рекомбинации короткие олигонуклеотиды соединялись в длинные молекулы РНК.

Но, чтобы случайно возникшие молекулы РНК дали племя, нужна их репликация — репродуцирование по принципу комплементарности.

Спирин гарантировал такой механизм. Образовалась длинная многомерная таблица, и на ней из коротких олигонуклеотидов посредством прямых нами спонтанных реакций объединения собиралась взаимодополняющая цепочка. Но есть проблема. В результате создавалась двутяжная (двуцепочечная) молекула, представляющая собой, подобно ДНК, двойную спираль. Однако такая РНК инертна, у нее все кодирующие валентности заняты. Поэтому она не может служить многомерная таблицей. Нужна одноцепочечная молекула. Значит, двутяжную РНК надо расплести на составные цепи. Спирин сделал вывод, что без молекулярной машины здесь не обойтись.

— Что это за молекулярная агломашина?

— К идее молекулярных агломашин Спирин пришел, изучая рибосомы — клеточные частицы, синтезирующие белки. Они состоят из двух половинок — малой и сильный субчастиц. По модели, гарантированной Спириным еще в 1968-м, каждый цикл наращивания полипептидной цепи новой аминокислотой сопровождается размыканием и смыканием этих половинок и перемещением рибосомы вдоль матричной РНК на один кодон — три нуклеозидфосфата, кодирующих данную аминокислоту. Но рибосома — приличная частица массой около трех миллионов дальтон. Для приравнивания: молекула воды — 18 дальтон. Что заставляет эту машину работать? Какое у нее топливо?

Предположили, что это ГТФ (гуанозинтрифосфат), который потребляется рибосомой подобно тому, как АТФ (аденозинтрифосфат) — при мышечном сокращении. Однако оказалось, что рибосома работает и без ГТФ, только медленнее.

Единственный доступный источник активности — тепловое (броуновское) движение молекул растворителя, главным образом воды, бомбардирующих рибосому. Более того, выяснилось, что суммарная работа, получаемая рибосомой от этих пинков, в биллионы раз превышает то, что устраивается от ГТФ. Но такие пинки хаотичны, только часть их производительная. Значит, нужен какой-то Фейнмановский храповик, фильтрующий удары и гарантирующий движение рибосомы по матричной РНК в определенном направлении.

Спирин показал, что таким храповиком выступает сам биосинтез полипептида. Это необратимый однонаправленный процесс. Можно оценить его с наладчиком на перекрестке.

В принципе, эту проблему вполне возможно решить иным вариантом. Например, в известном процессе ПЦР (полимеразной цепной реакции. — Прим. ред. ), широко используемом, в подробности, для диагностики инфекций, помогают периодические изменения повышенная температуры. При относительно низкой (50-60 градусов) калькируются цепи ДНК, а при высоченной (около 100 ) — расплетаются образующиеся двутяжные молекулы, что гарантирует продолжение процесса синтеза ДНК в следующем цикле.

Вероятно, на космическом теле, где зарождался мир РНК, былины необходимые суточные колебания температуры, а само это тело представляло собой аналог гигантской ПЦР-машины. Однако работала стучу машина очень неспешного — один цикл в сутки. Дальнейшая эволюция нуждала ускорения, и понадобились молекулярные агломашины.

Первой могла стать молекула РНК, способная катализировать сборку цепи, которая комплементарна многомерная таблице, — прообраз современной РНК-полимеразы. Пока первичная РНК-полимераза имела малый размер, ей доводилось ждать, чтобы наступил день и синтезированные ею двутяжные РНК расплелись.

Здесь необходимо справить, что двутяжная молекула ДНК или РНК расплетается при повышении температуры благодаря увеличению суммарной работы ударов по ней молекул растворителя. Этого можно достичь не только увеличиваю температуру, но и увеличивая размер мишени.

По мере увеличения размера в результате эволюции РНК-полимераза стала делаться в молекулярную агломашину, способную(у)лавливать броуновское движение, как парус(у)лавливает ветер, и расплетать связанную с ней двутяжную РНК. Постепенно распутывание происходило при все более низкой повышенная температуре, и наконец весь процесс репликации РНК оказался возможным при постоянной повышенная температуре. Храповиком в данной ситуации служил необратимый синтез взаимодополняющей цепи.

— Это же очень сложные процессы.

— Сложные, но Спирин обрыскал из того, что жизнь существует, значит, как-то возникла. Все это отняло огромный промежуток медли. Для развития необходимо, чтобы сохранялись и плодились молекулы с производительными свойствами. То есть происходила эволюция. Дарвин чаял, что жизнь зародилась в теплом маленьком пруду. Однако в нем не было бы отбора лучших молекул РНК. Если бы, например, в пруду возникла РНК-полимераза, она реплицировала бы не только лучшие молекулы РНК с полезными для популяции свойствами, но и бесполезные, которых гораздо вящего.

— То есть нужна протоклетка?

— Да, компартментализация, то есть отгораживание ансамблей молекул. Чтобы преимущественно плодились ансамбли тех молекул, чьи свойства лучше дополняют друг друга. Первым эту идею выразил советский биохимик, академик Александр Иванович Опарин. Он считал, что первичная компартментализация исполнялась в белковых свертках — коацерватных долях. Получал их экспериментально. Но в РНК-мире рогов еще не было и коацерваты образоваться не могли. Американец Джек Шостак, впоследствии нобелевский лауреат, предвкусил, что отгораживание происходило в липосомах — капельках, окруженных липидной диафрагмой. Но в РНК-мире липидов тоже не было. Кроме того, липидная мембрана непроницаема для растворимых веществ, в том числе нуклеотидов, из которых пролагаются молекулы РНК. В современной клетке этот барьер преодолевается за счет особых белков, образующих каналы для переноса таких веществ. Но тогда такого механизма не существовало.

Здесь потребовалось еще одно наше открытие — моляльные колонии. Они возникают так же, как клеточные, когда на агар высевают бактерии. Только мы пропитали агарозу полимеразой (работали с вирусной Qβ-репликазой) и посеяли молекулы РНК. На месте каждой молекулы, застрявшей в матриксе геля, выросла колония буквальных ее копий. Мы показали, что молекулярные колонии можно использовать для клонирования РНК и ДНК, а также для диагностики. Причем лапидарность диагностики выше, чем при жидкостной ПЦР. Сейчас наш метод используют в технологии секвенирования геномов нового племени.

Спирин предвкусил, что самый естественный способ компартментализации в мире РНК — колонии молекул, растущие в глине на дне периодически пересыхающего дарвиновского пруда. законный, случайно образовались рибозимы (РНК с функцией катализатора. — Прим. ред. ), пруд высох, молекулы внедрились в глину, образовали колонии. Опять сильный дождь, колонии частично растворились, а когда пруд обмелел, заняли иное положение на глине, росли уже в других местах. Здесь уже мог действовать нормальный отбор.

— Это на Земле происходило?

— Спирин считал, что вряд ли. Скорее всего, РНК замели метеориты.

— С другой планеты?

— Непонятно. Откуда-то из космоса.

— Предположим все же, что это произошло на Земле. Ее возраст — 4, 5 миллиарда лет. Сначала это был раскаленный, кипящий шар, с сильным вулканизмом, серной атмосферой, неясно, существовала ли там вода.

— слывёт, что воду на Землю замели кометы.

— Первые организмы завелись примерно четыре биллиона лет назад. Получается, что жизнь возникла всего за полмиллиарда лет. Этого достаточно?

— На самом деле медли еще меньше — примерно 100 миллионов лет. такого мало. Спирин склонялся к тому, что на Землю попали выкованные молекулы РНК, прошедшие довольно длинный путь эволюции.

— Что мы должны увидеть в метеоритах, кометарном веществе, чтобы поверить в явь РНК-мира? Там находят довольно много органических молекул, первокирпичиков.

— Мы можем испить там только набор каких-то веществ. Это не РНК-мир в понимании Спирина. Допустим, короткий олигонуклеотид. Это ничего не доказывает. Если бы мы обдумывали метеориты, для которых есть последовательная шкала, мы бы увидели некую тенденцию к корректированию или приближению к тому, что считаем миром РНК. Но мы анализируем много метеоров, не зная, откуда они, какого возраста и в какой последовательности образовались.

— Экспериментально идея РНК-мира подтверждена?

— Эти процессы очень медленные, неэффективные, упражняют миллионы лет. В лаборатории так не сделать.

— Периодически все же публикуют исследовательские работы. В одной из новых — Джеральда Джойса из Института засолка — говорится об РНК-ферменте, кой может аккуратно размножать нити РНК и вместе с тем допускает эволюцию.

— Экспериментаторы используют методы, коих не было на первозданной Земле. Они берут на себя роль Бога. Это невместно назвать естественным процессом.

— Разве они не показывают, что такой могла быть эволюция?

— Если бы там был Джойс или Шостак, которые гарантировали селекцию молекул с позитивными признаками, то это был бы искусственный отбор. И, где там? будущее место происхождения — весь космос, никто не знает, где сформировались наиболее оптимальные условия. Заслуга Спирина в том, что он сформировал принципы, по которым могла начаться эволюция.

— Как он думал доказать это?

— Для него было важно организовать логически непротиворечивую систему, которая опирается на известные риски.

— А экспериментальные доказательства?

— Никто не знает, как их получить. Как только подсоединяется экспериментатор, это уже не нормальный процесс. А естественный длится столько, что отразить его в лаборатории нельзя. В этом логический парадокс. Тестируют пока лишь отдельные нюансы концепции.

Можно идти от мерзкого. Другие молекулы не годятся для первичного мира. Они не способны воспроизводиться, эволюционировать, спонтанно делать структуры, обладать необходимыми свойствами. Если исходить из того, что жизнь произошла нормальным путем, а не дана свыше, то необычный известный нам биополимер, который умеет все это, — РНК.

Концепция Спирина о'кого продумана и последовательным непротиворечива. Для нас она наиболее убедительна. Самое интересное, что целиком разработана в России.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Ученые близки к разгадке тайны появления жизни. Ответ за пределами Земли

комментарии (0)

Другие интересные новости

Умер звезда сериала "Спасатели Малибу"