Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул. Строение РНК Типы РНК Гипотеза РНК мира.
Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
Вторая модель предполагала добавление рибозимов, способных к спонтанному образованию и катализированию расщепления, к пулу полимерных РНК-цепочек, которые разрезались при столкновении. Этот процесс позволял созданию молекул РНК, действующих как рибозимы типа hammerhead, способных к саморасщеплению, и, таким образом, начиналось их самовоспроизводство. Репликация полимера осуществлялась за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что может указывать на то, что древние полимеры могли зависеть от таких циклов для своего размножения. Неорганические поверхности, вроде камней, также могли способствовать этому процессу размножения.
Это приводило к образованию множества копий разрушенного полимера. Ученые сравнили это явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты. Ранее исследования показали, что социальный статус влияет на активность генов и передается от матери к детям. Новые данные, полученные учеными из Брукхейвена, вносят важный вклад в понимание процессов, лежащих в основе зарождения жизни на нашей планете.
Что бы ни занесло первые организмы на Землю — случайный ли метеорит или хитрый план высокоразвитых инопланетян, они должны были где-то и как-то родиться. Пусть не здесь и гораздо дальше в прошлом — но жизнь должна была вырасти из безжизненной материи. Вопрос «Как? Ненаучно: Самозарождение Спонтанное происхождение высокоразвитой живой материи из неживой — как зарождение личинок мух в гниющем мясе — можно связать еще с Аристотелем, который обобщил мысли множества предшественников и сформировал целостную доктрину о самозарождении. Как и прочие элементы философии Аристотеля, самозарождение было доминирующей доктриной в Средневековой Европе и пользовалось определенной поддержкой вплоть до экспериментов Луи Пастера, который окончательно показал, что для появления даже личинок мух нужны мухи-родители. Не стоит путать самозарождение с современными теориями абиогенного возникновения жизни: разница между ними принципиальная. В опытах Миллера — Юри было получено больше 20 аминокислот, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот. Современные вариации этих классических экспериментов используют куда более сложные постановки, которые точнее соответствуют условиям ранней Земли. Имитируются воздействия вулканов с их выбросами сероводорода и двуокиси серы, присутствие азота и т. Так ученым удается получать огромное и разнообразное количество органики — потенциальных кирпичиков потенциальной жизни. Главной проблемой этих опытов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул таких как аминокислоты образуются в смеси в равных количествах, тогда как вся известная нам жизнь за единичными и странными исключениями включает лишь L-изомеры. Впрочем, к этой проблеме мы еще вернемся. Здесь же стоит добавить, что недавно — в 2015 году — кембриджский профессор Джон Сазерленд John Sutherland со своей командой показал возможность образования всех базовых «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из весьма нехитрого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси — циановодород и сероводород, не столь уж редко встречающиеся в космосе. К ним остается добавить некоторые минеральные вещества и металлы, в достаточном количестве имеющиеся на Земле, — такие как фосфаты, соли меди и железа. Ученые построили детальную схему реакций, которая вполне могла создать насыщенный «первичный бульон» для того, чтобы в нем появились полимеры и в игру вступила полноценная химическая эволюция. Гипотезу абиогенного происхождения жизни из «органического бульона», которую проверили эксперименты Миллера и Юри, выдвинул в 1924 году советский биохимик Александр Опарин. И хотя в «темные годы» расцвета лысенковщины ученый принял сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания роли академика имя его носит главная награда, вручаемая Международным научным обществом изучения возникновения жизни ISSOL , — Медаль Опарина. Премия присуждается каждые шесть лет, и в разное время ее удостаивались и Стэнли Миллер, и великий исследователь хромосом, Нобелевский лауреат Джек Шостак. Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия — с изменчивым названием. Научно: Химическая эволюция Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента воду и углерод — NS в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные — прежде всего — к саморепликации. По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль.
РНК-молот может делать "молекулярные разрезы", другими словами, изменять клетки, разрывая их химические связи. Таким образом, исследователи смогли обеспечить определенную точность в процессе репликации и достаточную стабильность последовательных копий. По мнению ученых, это исследование может послужить теоретической моделью для понимания того, как можно улучшить саморепликацию в будущем. Поэтому данная работа должна стать очень перспективной для будущих исследований в этой области.
Рибозим со свойствами РНК-полимеразы синтезировал функциональные молекулы РНК
Более того, Сазерленд обнаружил возможность «самозарождения» некоторых аминокислот Пастеру бы этот вывод вряд ли понравился. Такая гипотеза возникновения РНК выглядит крайне привлекательной, хотя бы потому, что на свежесформированной планете, которая постоянно менялась и сталкивалась то с извержениями вулканов, то с метеоритами а они содержат довольно много цианида , этих трех ингредиентов было предостаточно. А еще в метеоритах была найдена рибоза, углевод, входящий в состав РНК при этом дезоксирибозы, входящей в состав ДНК, в них так и не обнаружили , — соответственно, и она могла быть занесена извне. Но возникает следующий вопрос: допустим, в мире появилась РНК и первые аминокислоты — как перейти от этого супового набора к созданию чего-то более значимого? Молодой, ему всего 39 лет, профессор Карл Вёзе занимается делом всей своей жизни — молекулярной эволюцией.
В какой-то момент Вёзе заметил, что маленькие РНК, участвующие в создании рибосом «машин» по сборке белка на основе генетического кода , — очень удобный материал для изучения мутаций и изменений, возникающих от вида к виду. Это своеобразные хронометры, и Вёзе решил прибегнуть к ним для изучения филогенетических, то есть эволюционных, деревьев. Вообще-то Вёзе хотел опровергнуть довлеющую теорию о том, что археи суть изменившиеся бактерии. Он считал, что всё живое можно разделить на три независимых домена — археи, бактерии и животные — и что археи не просто «странные бактерии», а целое отдельное царство, развивающееся по собственному пути.
В конце концов, ему это удалось, но параллельно с открытием доменной структуры жизни Вёзе, всю жизнь изучавший РНК, пришел к неожиданному выводу. Вёзе писал: «Мои эволюционные интересы были сосредоточены в первую очередь на бактериях и археях, эволюция которых охватывает большую часть истории планеты. Используя последовательность рибосомной РНК в качестве единицы измерения эволюции, мы реконструировали филогенетическое древо обеих групп и, таким образом, предоставили обоснованную систему классификации безъядерных организмов. Открытие архей фактически было продуктом этих исследований».
Источник: On the evolution of cells И вот накопленные знания об РНК, ее свойствах и способности изменяться наталкивают Вёзе на мысль, что именно РНК была тем «посредником» между миром неорганических молекул и жизнью. В этом ему сильно помогает открытие у РНК способности к катализу — то, что раньше считалось только белковой привилегией, оказывается вовсе не редкостью для маленьких нуклеиновых кислот. Вёзе приходит к идее РНК-мира — всё началось с РНК, которая самокопировалась в воде и в какой-то момент начала самостоятельно создавать пептиды небольшие белки. Но тогда это была всего лишь гипотеза.
Обрастать плотью доказательств гипотеза стала позже, с приходом на мировую научную арену новых молекулярных биологов, в частности Уолтера Гилберта. Он занимался разработкой методов секвенирования — расшифровки нуклеотидной последовательности и за это в 1980 году получил Нобелевскую премию вместе с Полом Бергом. Но, как любой крупный ученый, Гилберт интересовался многим и в 1986 году опубликовал статью, развивающую идеи Вёзе, — « Происхождение жизни. РНК-мир ».
Именно Гилберт придумал для гипотезы емкое название — РНК-мир. Все полученные данные об РНК неплохо укладывались в эту теорию. Нашлись и косвенные подтверждения гипотезы в самой молекулярной догме и процессах репликации то есть удвоения ДНК. Дело в том, что если рассматривать всех участников молекулярной догмы, то можно заметить одну важную деталь: рибосомы для синтеза белка есть у всех и в целом очень похожи по строению — не важно, у кого мы будем брать рибосому, у архей, бактерий или эукариот.
Та же ситуация с процессом снятия копии, то есть синтеза матричной РНК. А вот участники процесса репликации ДНК немного разнятся у разных царств, хотя процесс идейно похож.
В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы.
Отмечается, что в современных организмах правильная репликация происходит с помощью ферментов, которых, в свою очередь, не было до появление первых живых клеток.
Но и тут оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось во время биохимической эволюции. Чтобы в этом разобраться, ученые разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В ходе эксперимента появились короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Из-за этого появлялось множество копий разрушенного полимера.
Но долгое время было неясно, как такая молекула может появиться из предшественников, которые не могут проявлять каталитической активности. Специалисты обнаружили, что рибозим, который помогает расщеплять другие молекулы, может появиться спонтанно, потому что для обеспечения его работы необходимы только несколько классических оснований.
Но и тут оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось во время биохимической эволюции. Чтобы в этом разобраться, ученые разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности.
Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки. Сторонники гипотезы РНК-мира считают, что на начальном этапе зарождения жизни на нашей планете возникли автономные РНК-системы, которые катализировали «метаболические» реакции (например, синтеза новых рибонуклеотидов) и самовоспроизводились. А раз так, то верна гипотеза о том, что РНК должны была возникнуть на Земле раньше, чем ДНК. Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа.
РНК у истоков жизни?
Это новое исследование ставит под сомнение гипотезу мира РНК, которая предполагает, что самовоспроизводящиеся молекулы РНК были предшественниками всех современных форм жизни на Земле. Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. РНК постепенно превратилась в постоянно совершенствующийся катализатор связывания аминокислот Эта связь между РНК и пептидами или белками сохранилась и по сей день Таким образом, мир РНК-пептидов решает проблему курицы и яйца». Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира».
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
Поэтому присутствие теломеразной мРНК там, где стволовых клеток быть не должно например, в плазме или в клетках крови , может служить указанием на наличие злокачественного процесса. Существуют также РНК, которые могут служить групповыми маркёрами всех видов рака кишечника, или всех видов рака молочной железы, или всех видов рака печени. Попытки использовать РНК-маркёры для молекулярной диагностики рака были и раньше, но из-за ограниченной чувствительности и недостаточной специфичности стандартной ПЦР полимеразной цепной реакции они закончились неудачей. Следует отметить исключительно высокий потенциал наноколоний для диагностики любых заболеваний, для которых существуют РНК- или ДНК-маркёры, в т. Например, молекула белка в том числе белка-маркёра рака может быть обнаружена путём размножения суррогатной ДНК-мишени, образованной лигированием фрагментов ДНК, способных одновременно связываться с данной молекулой белка посредством специфических лигандов например, антител. Подобным же образом с помощью наноколоний можно обнаружить одиночные молекулы любого вещества например, наркотика или допинга , достаточно сложные для формирования на своей поверхности, по крайней мере, двух участков специфического связывания лигандов [16]. В помощь антибиотикам Важнейшей проблемой современности является быстрая эволюция бактерий в направлении приобретения устойчивости к антибиотикам, приводящая к возрождению многих заболеваний человека. Профессор Йельского университета США Сидни Альтман, продолжая исследования в области каталитической способности РНК, стал разрабатывать способы борьбы с инфекционными заболеваниями антибактериальная и антималярийная терапия , используя каталитические способности конкретного РНК-фермента - рибонуклеазы Р. Конечная цель - создать препарат, который мог бы быть альтернативой в случае устойчивости инфекции к антибиотикам. На конкретных объектах исследований разрабатываются фундаментальные основы подходов, которые могли бы быть общими для лечения многих инфекционных заболеваний. В перспективе синтезировать определённые соединения, которые могут быть легко модифицированы для борьбы, как с бактериями, так и с малярией.
Это направление исследований представляет перспективную альтернативу применению в медицине антибиотиков, возможности которых стремительно тают. Сидни Альтман разрабатывает это важнейшее направление, в частности, совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН г. Новосибирск [6]. Как зарождались знания, составляющие основу практического применения теорий и методов молекулярной биологии РНК Лауреат Нобелевской премии за открытие рибозимных свойств РНК Сидни Альтман Олтмен, 1939 г. Заняться молекулярной биологией начинающему учёному Альтману посоветовал русский физик Георгий Гамов. Он понял, что структуры белков, состоящих из 20 основных природных аминокислот - должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из простых арифметических соображений, Гамов показал, что при сочетании 4-ёх нуклеотидов тройками получается 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации. Таким образом, он был первым, кто предложил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов [17]. Практически генетический код позволил расшифровать метод бесклеточной системы синтеза белка in vitro. Первые результаты в этом направлении были получены в 1961 году, когда М.
Ниренберг и Х. Матеи синтезировали упрощённую форму мРНК, состоящую из одинаковых нуклеотидов и обнаружили, что в её присутствии происходит образование длинной цепи белковоподобной молекулы, состоящей из аминокислот одного-единственного вида. Искусственная мРНК представляла собой полинуклеотид поли-У, в котором все нуклеотиды содержали только одно основание - урацил. Когда поли-У добавляли к экстракту из клеток бактерии E. Так было обнаружено, что кодон УУУ соответствует фенилаланину. Этот первый успех указал путь, следуя которому в скором времени удалось установить кодоны и для ряда других аминокислот; требовалось только перепробовать различные формы синтетических мРНК. Тогда возник вопрос, каким образом некоторые синтетические мРНК, например поли-У, которые, конечно, не содержат таких кодонов, ухитряются как-то заставлять рибосомы синтезировать полипептиды? Вероятно, это происходит по ошибке - из-за того, что рибосомы ведут себя «не по инструкции». Следовательно - ирония судьбы! Каковы же те обстоятельства, которые приводят к тому, что эти системы совершают «нужные» ошибки?
Один из факторов был вскоре найден. Им оказалась высокая концентрация магния в бесклеточных системах. Каким образом магний инициирует синтез? На этот вопрос нет однозначного ответа [25]. О различии молекулярных механизмов формирования морозоутойчивости озимой мягкой пшеницы и озимого ячменя Итак, концентрация магния. Установлено, чем больше содержится магния в рРНК, тем активнее синтезируют белок полифенилаланин рибосомы зародышей пшеницы в бесклеточной системе синтеза белка in vitro на искусственной матрице поли-У [42]. Вполне возможно, что концентрация катионов магния в клетке определяет интенсивность синтеза «ошибочных» полипептидов, предположительно расширяющих адаптационные свойства организмов [19, 20, 21, 25]. Вероятно, этим можно объяснить факт сортоспецифического усиления in vitro трансляционной активности полисом из проростков пшеницы и ячменя под влиянием закаливающей температуры [16, 25], тогда как в этих условиях длина поли-А-хвоста мРНК энхансера трансляции у пшеницы увеличивалась, а у ячменя сокращалась [2, 16]. Но ячмень содержит гораздо больше катионов магния по сравнению с пшеницей [12], что, возможно, и определяло увеличение трансляционной активности рибосом ячменя. Следовательно, увеличение трансляционной активности полирибосом может происходить как за счёт увеличения длины поли-А-хвоста мРНК как энхансера трансляции пшеница , так и за счёт увеличения содержания катионов магния в рРНК ячмень.
Можно полагать, что озимый ячмень формирует морозоустойчивость на основе более древнего молекулярного механизма - адаптационного усиление трансляционной активности за счет вариации в содержании магния в рРНК [11, 13, 22]. Но озимая мягкая пшеница реагирует на закаливающие температуры сортоспецифическим усилением полиаденилирования мРНК [2, 16, 23]. Этот молекулярный механизм, вероятно, более поздний и является более прогрессивным по сравнению с вариациями содержания магния в рРНК. Отсюда, возможно, и более высокая морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы по сравнению с озимым ячменём. Таким образом, есть основания полагать, что повышение морозостойкости сорта озимой мягкой пшеницы сопровождается стабилизацией мРНК и дестабилизацией рРНК. Предполагается, что стабилизация рРНК определяется укреплением молекулы за счёт катионов магния, в тоже время весьма вероятно, что катионы магния стимулируют укорочение терминальной поли-А-последовательности, определяющей стабильность и трансляционную активность мРНК, через усиление прочности определённых структур мРНК, определяющих скорость её деаденилирования. Эта принципиально важная гипотеза требует детальной экспериментальной проверки. Об особенностях молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 «Генотип должен превалировать над средой». Вавилов Одним из часто встречающихся, довольно досадным моментом при работе с РНК является их деградация в процессе хранения или манипулирования, даже в случае хорошо очищенных препаратов. Обычно это связывают с наличием РНКаз, занесенных с посудой и реактивами или попавших в препараты РНК в процессе выделения.
Однако было показано, что применение мощного ингибитора РНКаз - диэтилпирокарбоната во время выделения РНК с последующей усиленной депротеинизацией полученных препаратов и использование растворов, реактивов и посуды, обработанной диэтилпирокарбонатом и протеиназой К, не приводит к полному предотвращению деградации РНК. Известно, что если все работы проводить с очищенным препаратом РНК при температуре 0-4оС, то указанной деградации не наблюдается. В 90-е годы ХХ века было показано тождество закономерностей Mg-зависимого распада мРНК в живой клетке in vivo и в водных растворах in vitro [15, 16, 41]. На протяжении последних сорока лет многие исследователи отмечали способность выделенной из клетки РНК разрушаться в присутствии катионов металлов [15]. Но от внимания исследователей ускользал тот факт, что разрушение происходит по тем же законам, что и в живой клетке, отражая генетические особенности и физиологическое состояние организма. В фундаментальных науках всегда имел значение объект исследования. Удачность выбора объекта или случай определяет скорость и эффективность исследований, обширность и глубину полученной информации. Как показали исследования, норма реакции на закаливающие температуры у сорта Безостая 1 на молекулярном уровне относительно узка по всем компонентам белоксинтезирующей системы - от амплитуды изменения трансляционной активности полирибосом, длины поли- А -хвоста мРНК, стабильности мРНК до амплитуды колебаний электрофоретического спектра рРНК [16, 23]. Это происходит на фоне относительно высокого содержания катионов магния в зерне Безостой 1 и соответствует реальному районированию сортов: высоко морозоустойчивый сорт Краснодарская 39 относительно низкое содержание магния в зерне способен давать урожай вплоть до Самарской области, в то время как средне морозоустойчивый сорт Безостая 1 давал и даёт великолепные урожаи, но в относительно узкой южной полосе. Особенности сорта Безостая 1 образно можно представить как глухонемого человека в группе пахарей.
Товарищи отвлекаются на различные развлекательные и опасные аспекты жизни, а глухонемой пашет и пашет. Поэтому в конечном итоге выясняется, что он вспахал больше всех. Но это только при условии относительно благоприятных обстоятельств. Этот вывод позволяет объективно понять природу феномена сорта Безостая 1 и, отталкиваясь от этих знаний, заложить основу понимания сакральных молекулярно-биологических процессов, лежащих в основе селекции и определяющих её будущие успехи. Таким образом, Безостая 1 фактом своего существования великолепно подтверждает вывод, сделанный Н. Вавиловым в 30-ых годах ХХ века: «Генотип должен превалировать над средой». Фундаментальные исследования молекулярной биологии РНК сорта Безостая 1 привели к прикладным исследованиям, способствовали формированию элементов молекулярных основ теории морозоустойчивости и возможности разработки простых методов оценки морозоустойчивости сортов озимой мягкой пшеницы по содержанию нуклеиновых кислот и катионов магния в зрелом зерне [9, 10, 20, 21].
Это открытие представляет важный шаг в понимании того, как жизнь могла зародиться из примитивных химических систем на ранних этапах существования Земли и как она эволюционировала к более сложным формам, включающим каталитическую активность. Комментарии закрыты.
Естественный отбор мог способствовать развитию каталитической эффективности этих молекул. Модель также указывает на то, что кооперативные каталитические сети могли быть отобраны эволюцией, что привело к функциональной дифференциации олигомеров на катализаторы и субстраты. Это открытие представляет важный шаг в понимании того, как жизнь могла зародиться из примитивных химических систем на ранних этапах существования Земли и как она эволюционировала к более сложным формам, включающим каталитическую активность.
Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Взять хотя бы наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом Lesley Orgel : если в раствор способной к саморепликации РНК добавить бромистый этидий, служащий для этой системы ядом, блокирующим синтез РНК, то понемногу, со сменой поколений макромолекул, в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые инструменты-белки, а затем — в комплексе с ними — «открыть» для себя и двойную спираль ДНК, идеальный носитель наследственной информации. По мнению ее сторонников, никакая жизнь вовсе никогда не возникала — как не рождалась и Земля, не появлялся и космос: они просто были всегда, всегда и пребудут. Все это не более обосновано, нежели черви Паньгу: чтобы всерьез принять такую «теорию», придется забыть о бесчисленных находках палеонтологии, геологии и астрономии. А по сути, отказаться от всего грандиозного здания современной науки — но тогда, наверное, стоит отказаться и от всего того, что полагается его жителям, включая компьютеры и безболезненное лечение зубов. Научно: Протоклетки Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь — это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь — это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле — первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин. В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие желтые капли масла, плавающего в воде. В целом идеи ученого принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак, получивший за свои работы Медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамалой Katarzyna Adamala он сумел создать своего рода модель «протоклетки», аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из еще более простых органических молекул, жирных кислот, которые вполне могли накапливаться в местах возникновения первых протоорганизмов. Шостаку и Адамале удалось даже «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния стимулирующие работу РНК-полимераз и лимонную кислоту стабилизирующую структуру жировых мембран. В итоге у них получилась совершенно простая, но в чем-то живая система; во всяком случае это была нормальная протоклетка, которая содержала защищенную мембраной среду для размножения РНК. С этого момента можно закрыть последнюю главу предыстории жизни — и начать первые главы ее истории. Поэтическая картина вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, ее перерождения то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, а то и в существо, неизвестное нам, демона или бога. Несмотря на отсутствие идей реинкарнации, Ницше эта идея действительно близка: вечность вечна, а значит, любое событие в ней может — и должно повториться вновь. И каждое существо без конца вращается на этой карусели всеобщего возвращения, так что только голова кружится, а сама проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений. Научно: Эндосимбиоз Взгляните на себя в зеркало, всмотритесь в глаза: существо, с которым вы переглядываетесь, это сложнейший гибрид, возникший в незапамятные времена. Еще в конце XIX века немецко-английский естествоиспытатель Андреас Шимпер Andreas Schimper заметил, что хлоропласты — органеллы растительной клетки, ответственные за фотосинтез, — реплицируются отдельно от самой клетки. Вскоре появилась гипотеза о том, что хлоропласты — это симбионты, клетки фотосинтезирующих бактерий, когда-то проглоченные хозяином — и оставшиеся жить здесь навсегда. Разумеется, хлоропластов у нас нет, иначе бы мы могли питаться солнечным светом, как предлагают некоторые псевдорелигиозные секты. Однако в 1920-е гипотеза эндосимбиоза была расширена, включив митохондрии — органеллы, которые потребляют кислород и поставляют энергию всем нашим клеткам. К сегодняшнему дню эта гипотеза приобрела статус полновесной, многократно доказанной теории — достаточно сказать, что у митохондрий и пластид обнаружился собственный геном, более или менее независимые от клетки механизмы деления и собственные системы синтеза белка. В природе обнаружены и другие эндосимбионты, не имеющие за плечами миллиардов лет совместной эволюции и находящиеся на менее глубоком уровне интеграции в клетке.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
Дополнительно, неорганические поверхности, такие как камни, могли способствовать этому процессу. Эти открытия выявляют новые механизмы, которые могли способствовать зарождению жизни на Земле и поддержанию процессов самовоспроизводства. Они указывают на то, что процессы, касающиеся первичной жизни и РНК-мира, могли иметь множество путей развития, включая спонтанные образования рибозимов и циклические изменения окружающей среды, способствующие репликации полимеров. Эти исследования поднимают важные вопросы о происхождении жизни на Земле и механизмах, которые могли сыграть ключевую роль в ее зарождении.
Надежда на то, что новые открытия помогут лучше понять эволюцию жизни на нашей планете и ее уникальное происхождение.
Остаток в биохимии и молекулярной биологии — структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров; часть мономера, которая остаётся неизменной после включения его в биополимер. Например, остатками принято называть аминокислотные звенья, входящие в состав пептида. Остатки уже не являются аминокислотами, так как в результате реакции конденсации, они утратили по одному атому водорода из аминогруппы и гидроксил, входящий в состав карбоксильной группы. Кроме того, остатками также считаются...
История молекулярной биологии начинается в 1930-х годах с объединения ранее отдельных биологических дисциплин: биохимии, генетики, микробиологии и вирусологии. Кроме того, в надежде, что новая дисциплина откроет возможности понимания фундаментальных основ жизни, в неё пришли многие химики и физики. Свободные нуклеотиды, в частности АТФ, цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов. Этот процесс называется сплайсингом от англ. Для каждой протеиногенной аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза. Сайт рестрикции участок узнавания — короткая последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, которая распознаётся ферментом эндонуклеазой рестрикции-модификации рестриктазой.
Рестриктаза связывается с молекулой ДНК в точке расположения сайта рестрикции и перерезает цепочку нуклеотидов внутри сайта или в непосредственной близости от него. Урацил 2,4-диоксопиримидин — пиримидиновое основание, которое является компонентом рибонуклеиновых кислот и как правило отсутствует в дезоксирибонуклеиновых кислотах, входит в состав нуклеотида. В составе нуклеиновых кислот может комплементарно связываться с аденином, образуя две водородные связи. Мир полиароматических углеводородов — гипотетический этап химической эволюции, когда полициклические ароматические углеводороды ПАУ , которые, возможно, были в изобилии в первичном бульоне ранней Земли, привели к синтезу молекул РНК, что создало предпосылки для мира РНК и возникновению жизни. Гены «домашнего хозяйства » англ. Гены домашнего хозяйства функционируют повсеместно, на всех стадиях жизненного цикла организма.
Нуклеазы — большая группа ферментов, гидролизующих фосфодиэфирную связь между субъединицами нуклеиновых кислот. Различают несколько типов нуклеаз в зависимости от их специфичности: экзонуклеазы и эндонуклеазы, рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы, рестриктазы и некоторые другие. Рестриктазы занимают важное положение в прикладной молекулярной биологии. Частный случай алкирования. Метилирование в терминальном положении приводит к удлинению углеродной цепи в молекуле на 1 атом. Это явилось первым материальным доказательством роли ДНК в наследственности.
Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток. Пятью годами позже, в 1929 году, английский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн независимо предположил очень похожие идеи в короткой статье, опубликованной в Rationalist Annual. К тому времени Холдейн уже немало внес в теорию эволюции , помогая интегрировать идеи Дарвина в развивающуюся науку о генетике. Английский генетик Дж. Холдейн Как и Опарин, Холдейн описал, каким образом органические вещества могли бы накапливаться в воде, «пока первобытные океаны не дошли бы до консистенции горячего разбавленного супа». Это подготовило бы почву для «первых живых или полуживых вещей», которые сформировались и оказались в тонкой масляной пленке.
Показательно, что среди всех биологов мира только Опарин и Холдейн дошли до этого. Мысль о том, что живые организмы могут образоваться в процессе простых химических реакций, без бога или даже «жизненной силы», была радикальной. Как и теория эволюции Дарвина до нее, она тоже была плевком в лицо христианства. Но в рамки СССР вписывалась отлично. Советский режим был официально атеистическим, а его лидеры с радостью поддерживали любые материалистические объяснения глубоких явлений вроде жизни. Холдейн тоже был атеистом и еще и коммунистом в придачу.
В западном мире, если взглянуть на людей, которые мыслили в этом направлении, все они были левыми, коммунистами и так далее». Мысль о том, что жизнь сформировалась в первичном бульоне органических веществ, стала гипотезой Опарина-Холдейна. Она была аккуратной и убедительной, но была одна проблема. Ее не поддерживали никакие экспериментальные доказательства. И так продолжалось почти четверть века. Гарольд Юри К тому времени, когда Гарольд Юри стал интересоваться происхождением жизни, он уже получил Нобелевскую премию по химии 1934 года и помог построить атомную бомбу.
Во время Второй мировой войны Юри работал над Манхэттенским проектом, собирая нестабильный уран-235, необходимый для сердечника бомбы. После войны он боролся, чтобы сохранить ядерные технологии под контролем граждан. Также он заинтересовался химией космоса, в частности тем, что происходило во времена формирования Солнечной системы. Однажды он прочитал лекцию и отметил, что в атмосфере Земли , вероятно, не было кислорода, когда она впервые сформировалась. Это стало идеальным дополнением к первичному бульону Опарина и Холдейна: хрупкие химические вещества могли быть уничтожены при контакте с кислородом. Докторант по имени Стэнли Миллер был в аудитории, а затем подошел к Юри с вопросом: можно ли проверить эту идею?
Юри был скептичен, но Миллер настоял на своем. Поэтому в 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент на тему происхождения жизни. Эксперимент Миллера-Юри Настройки были простыми. Миллер соединил серию стеклянных колб и пустил по ним четыре химических вещества, которые могли присутствовать на ранней Земле: кипящая вода, газообразный водород, аммиак и метан. Затем он подверг газы многократному воздействию электрического тока, чтобы имитировать удары молнии, которые были обычным явлением на Земле в те времена. Миллер обнаружил, что «вода во флаконах стала значительно розовее после первого дня, а к концу недели раствор стал красным и мутным».
Очевидно, образовалась смесь химических веществ. Что такое жизнь? Проанализировав смесь, Миллер обнаружил, что в ней есть две аминокислоты: глицин и аланин. Аминокислоты часто называют строительными блоками жизни. Они используются для образования белков, которые управляют большинством биохимических процессов в наших телах. Миллер сделал два важнейших компонента жизни буквально с нуля.
Результаты были опубликованы в престижном журнале Science в 1953 году. Юри поступил весьма необычно для старших ученых, сняв свое имя с работы и отдав все лавры Миллеру. Несмотря на это, исследование часто называют «экспериментом Миллера-Юри». Стэнли Миллер в лаборатории «Сила Миллера-Юри в том, что вы можете произвести множество биологических молекул просто из атмосферы», говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания. Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли была другой смесью газов. Но это не меняет факта.
Эксперимент удался, простимулировал воображение публики и разлетелся на цитаты. После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение тайны происхождения жизни, казалось, вот-вот появится. Но потом выяснилось, что жизнь была сложнее, чем кто-либо думал. Живые клетки были не только мешками с химическими веществами: они были сложнейшими крошечными машинами. Внезапно создание клетки с нуля оказалось гораздо более сложной задачей, чем думали ученые.
Часть вторая: раскол в рядах ученых Жизнь очень сложна. К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь была подарком богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь на ранней Земле сформировалась стихийно и естественно — и благодаря знаковому эксперименту Стэнли Миллера даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи. Пока Миллер пытался сделать материал жизни с нуля, другие ученые выясняли, из каких генов она состояла. К тому времени многие биологические молекулы стали известны. Сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты вроде «дезоксирибонуклеиновой кислоты», или ДНК, если коротко.
Сегодня мы уже привыкли к тому, что ДНК переносит наши гены, но для биологов 1950-х годов это было шоком. Белки более сложные, поэтому ученые думали, что они являются генами. Есть ли жизнь в облаках Венеры? Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и которые должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они и выяснили, что в бактерию попадает вирусная ДНК, а белки остаются снаружи. Очевидно, именно ДНК была генетическим материалом.
Их открытие стало одним из величайших научных открытий 20 века. Оно также преобразило поиск происхождения жизни, раскрыв невероятную сложность, которая скрывалась внутри живых клеток. Два «полюса» лестницы выстраивались молекулами-нуклеотидами. Эта структура объяснила, каким образом клетки копируют свою ДНК. Другими словами, она раскрыла, как родители делают копии своих генов и передают детям. Ключевой момент в том, что эту двойную спираль можно «распаковать».
Это обнажает генетический код , состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, которые обычно заперты в ступеньках лесенки ДНК. Каждая цепочка затем используется как шаблон для воссоздания копии. С помощью этого механизма гены передавались от родителей к ребенку с самого начала жизни. Ваши гены были переданы древней бактерией — и на каждом шагу копировались, используя механизм, обнаруженный Криком и Уотсоном. Крик и Уотсон изложили свои выводы в статье в Nature в 1953 году. Следующие несколько лет биохимики пытались выяснить точно, какую информацию переносит ДНК и как эта информация используется в живых клетках.
Впервые сокровенные тайны жизни были выставлены напоказ. Оказалось, что ДНК делает только одну работу. Ваша ДНК говорит клеткам, как делать белки: молекулы, которые выполняют важнейшие задачи. Без белков вы не могли бы переваривать пищу, ваше сердце остановилось бы и дышать было бы невозможно. Но процесс использования ДНК для создания белков оказался чрезвычайно запутанным. Это стало большой проблемой для любого, кто пытается объяснить происхождение жизни, поскольку трудно представить, как что-то настолько сложное вообще могло появиться само по себе.
Каждый белок представляет собой длинную цепь аминокислот, соединенных в определенном порядке. Последовательность этих аминокислот определяет трехмерную форму белка, а значит, и его назначение. Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому когда клетке нужно сделать конкретный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот. Но есть нюанс. ДНК очень ценная, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасности.
И, наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле под названием «рибосома». Этот процесс протекает в каждой живой клетке, даже у простейших бактерий. Он так же необходим для жизни, как еда и воздух. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица — ДНК, РНК и белок рибосомы — появилась и начала работать. Клетки могут быть невероятно сложными И внезапно идеи Опарина и Холдейна уже кажутся наивными и простыми, а эксперимент Миллера, который произвел несколько аминокислот, и вовсе дилетантским. Его исследование было лишь первым шагом на длинной дороге.
Что нам делать, чтобы найти органическую химию, которая будет делать все это за один раз? Первым человеком, который попытался прямо ответить на этот вопрос, стал английский химик Лесли Оргел. Оргел намеревался упростить задачу. В 1968 году, при поддержке Крика, он предположил, что первая жизнь не имела белков или ДНК. Вместо этого она почти полностью была сделана из РНК. В таком случае первичным молекулам РНК приходилось быть особенно универсальными.
С одной стороны, они должны были уметь создавать копии самих себя, по-видимому, используя тот же механизм образования пар, что и ДНК. Идея того, что жизнь началась с РНК, оказала колоссальное влияние. И разразила научную войну, которая продолжается по сей день. ДНК лежит в основе всех живых существ Предположив, что жизнь началась с РНК и кое-чего еще, Оргел по сути предположил, что один из важнейших аспектов жизни — ее способность воспроизводить себя — появился до всех остальных. В некотором смысле он предположил не только, как жизнь появилась: он предположил кое-что о самой сути жизни. Многие биологи согласны с идеей Оргела «сперва воспроизводство».
В дарвиновской теории эволюции способность производить потомство находится в центре: это единственный способ для организма «выиграть» — оставить после себя детей. Но у жизни есть и другие функции, которые кажутся одинаково важными. Самая очевидная — это метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания своей жизни. Для многих биологов метаболизм определяет первичную суть жизни, а воспроизводство уже потом. Поэтому начиная с 1960-х годов в рядах ученых, изучающих происхождение жизни, наблюдается раскол. Между тем третья группа поддерживает гипотезу о том, что сперва появился контейнер для ключевых молекул, который не позволял им расплываться.
Другими словами, должна была быть клетка — как подчеркивали Опарин и Холдейн за несколько десятков лет до этого — возможно, закрытая мембраной из простых жиров и липидов. Все три идеи приобрели сторонников и сохранились до наших дней. Ученые страстно поддерживали свои идеи, иногда даже совершенно слепо. Неразбериха в рядах ученых достигла апогея, а журналисты, сообщающие о результатах, одни часто говорили, что «другие ученые тупые» или еще хуже. Благодаря Оргелу, идея начала жизни с РНК освежила движение к разгадке. Затем наступили 1980-е, а вместе с ними произошло открытие, которое в значительное степени подтвердило идею Оргела.
РНК может быть ключом к началу жизни Часть третья: в поисках первого репликатора Эволюция важнее всего. Итак, после 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые из них были убеждены в том, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточились на важности генетики и репликации. Эта последняя группа начала выяснять, как мог бы выглядеть первый репликатор, подразумевая, что он был сделан из РНК. Уже в 1960-е годы ученые имели основания полагать, что РНК была источником всей жизни.
Это одноцепочечная молекула, поэтому, в отличие от жесткой, двухцепочечной ДНК, она может складывать себя в целый ряд различных форм. Похожая на оригами, складывающаяся РНК в целом напоминала по поведению белки. Белки тоже в основном представляют длинные цепи — только из аминокислот, а не нуклеотидов — и это позволяет им создавать сложные структуры. Это ключ к самой удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Такие белки известны как ферменты.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового. Множество ферментов можно найти у вас в кишках, где они разбивают сложные молекулы из пищи на простые типа сахаров, которые могут использовать ваши клетки. Без ферментов жить было бы невозможно. Лесли Оргел и Фрэнсис Крик начали кое-что подозревать. Если РНК может складываться как белок, возможно, она может и образовывать ферменты?
Если бы это было правдой, то РНК могла бы быть оригинальной — и универсальной — живой молекулой, хранящей информацию, как это делает сейчас ДНК, и катализирующей реакции, как это делают некоторые белки. Это была прекрасная идея, но за десять лет она не получила никаких доказательств. Томас Чех, 2007 год Томас Чех родился и вырос в штате Айова. Еще ребенком он был очарован горными породами и минералами. И уже в младших классах средней школы он заглядывал в местный университет и стучался в двери геологов с просьбой показать модели минеральных структур. Однако, в конце концов, он стал биохимиком и сосредоточился на РНК.
В начале 1980-х годов Чех и его коллеги по Университету Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм Tetrahymena thermophila. Часть ее клеточного механизма включает цепи РНК. Чех обнаружил, что отдельный сегмент РНК каким-то образом оказался отделен от остальных, словно его вырезали ножницами. Когда ученые убрали все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать молекулярными ножницами, РНК продолжала выделываться. Так они нашли первый фермент РНК: короткий участок РНК, который способен вырезать себя из длинной цепи, частью которой является. Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году.
В следующем году другая группа ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент. Обнаружение двух ферментов РНК одного за другим указывало на то, что их должно быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начала выглядеть солидно. Как грудной имплантат сохранил жизнь женщины Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт также стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека. Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую деятельность, необходимую для сборки самих себя в бульон нуклеотидов».
Наконец, они нашли способ создавать белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни, которую мы имеем. Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна за всех» молекула могла сделать всю работу. В 2000 году гипотеза «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств. Рибосома делает белки Томас Стейц провели 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру рибосомы. Рибосома есть в каждой живой клетке.
Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, чтобы сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую часть вашего тела. Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК была каталитическим ядром рибосомы. Это было важно, так как рибосома фундаментально важна для жизни и при этом очень древняя. Но с тех пор ученые начали сомневаться.
С самого начала у идеи «мира РНК» было две проблемы. Могла ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? Могла ли она образоваться на ранней Земле? Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли твердых доказательств, что РНК может выполнять все, что от нее требует теория. Это маленькая умелая молекула, но она может не уметь всего. Как он-лайн вечеринки меняют нашу жизнь.
Личный опыт Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была быть способна делать копии себя: она должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся. Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Поэтому в конце 1980-х годов несколько ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно.
Джек Шостак Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, кто принял в этом участие. В детстве он был так очарован химией, что завел лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка. В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха.
Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли. Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел фермент РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты РНК могут быть по-настоящему мощными. Но их фермент не мог копировать себя, даже чуточку.
Шостак оказался в тупике. Возможно, жизнь началась не с РНК Следующий крупный шаг осуществил в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Другими словами, он добавлял не случайные нуклеотиды: он правильно копировал последовательность. Пока это был еще не саморепликатор, но уже что-то похожее. Была надежда, что несколько настроек позволят ему построить цепь длиной в 189 нуклеотидов — как и он сам. Лучшее, что удалось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже.
Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. В 2009 году они создали фермент РНК, который размножается косвенно. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента.
Научно: Протоклетки Однако простой репликации для «нормальной жизни» недостаточно: любая жизнь — это, прежде всего, пространственно изолированный участок среды, разделяющий процессы обмена, облегчающий течение одних реакций и позволяющий исключать другие. Иначе говоря, жизнь — это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. И «протоклетки» должны были появляться уже на самых ранних этапах существования жизни на Земле — первую гипотезу об их происхождении высказал хорошо знакомый нам Александр Опарин. В его представлении «протомембранами» могли служить капельки гидрофобных липидов, напоминающие желтые капли масла, плавающего в воде.
В целом идеи ученого принимаются и современной наукой, занимался этой темой и Джек Шостак, получивший за свои работы Медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамалой Katarzyna Adamala он сумел создать своего рода модель «протоклетки», аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из еще более простых органических молекул, жирных кислот, которые вполне могли накапливаться в местах возникновения первых протоорганизмов. Шостаку и Адамале удалось даже «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния стимулирующие работу РНК-полимераз и лимонную кислоту стабилизирующую структуру жировых мембран. В итоге у них получилась совершенно простая, но в чем-то живая система; во всяком случае это была нормальная протоклетка, которая содержала защищенную мембраной среду для размножения РНК. С этого момента можно закрыть последнюю главу предыстории жизни — и начать первые главы ее истории. Поэтическая картина вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, ее перерождения то в ничтожное насекомое, то в возвышенного поэта, а то и в существо, неизвестное нам, демона или бога. Несмотря на отсутствие идей реинкарнации, Ницше эта идея действительно близка: вечность вечна, а значит, любое событие в ней может — и должно повториться вновь.
И каждое существо без конца вращается на этой карусели всеобщего возвращения, так что только голова кружится, а сама проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений. Научно: Эндосимбиоз Взгляните на себя в зеркало, всмотритесь в глаза: существо, с которым вы переглядываетесь, это сложнейший гибрид, возникший в незапамятные времена. Еще в конце XIX века немецко-английский естествоиспытатель Андреас Шимпер Andreas Schimper заметил, что хлоропласты — органеллы растительной клетки, ответственные за фотосинтез, — реплицируются отдельно от самой клетки. Вскоре появилась гипотеза о том, что хлоропласты — это симбионты, клетки фотосинтезирующих бактерий, когда-то проглоченные хозяином — и оставшиеся жить здесь навсегда. Разумеется, хлоропластов у нас нет, иначе бы мы могли питаться солнечным светом, как предлагают некоторые псевдорелигиозные секты. Однако в 1920-е гипотеза эндосимбиоза была расширена, включив митохондрии — органеллы, которые потребляют кислород и поставляют энергию всем нашим клеткам. К сегодняшнему дню эта гипотеза приобрела статус полновесной, многократно доказанной теории — достаточно сказать, что у митохондрий и пластид обнаружился собственный геном, более или менее независимые от клетки механизмы деления и собственные системы синтеза белка.
В природе обнаружены и другие эндосимбионты, не имеющие за плечами миллиардов лет совместной эволюции и находящиеся на менее глубоком уровне интеграции в клетке. Например, у некоторых амеб нет собственных митохондрий, зато есть включенные внутрь и выполняющие их роль бактерии. Есть гипотезы и об эндосимбиотическом происхождении других органелл — включая жгутики и реснички, и даже клеточное ядро: согласно мнению некоторых исследователей, все мы, эукариоты, стали результатом небывалого слияния между бактериями и археями. Эти версии пока не находят строгого подтверждения, однако ясно одно: едва возникнув, жизнь стала поглощать соседей — и взаимодействовать с ними, рождая новую жизнь. Ненаучно: Креационизм Само понятие креационизма возникло в XIX веке, когда этим словом стали называться сторонники различных версий появления мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий. Однако по сути ничего нового в сравнении с этими книгами креационисты не предложили, раз за разом пытаясь опровергнуть строгие и основательные находки науки — а на самом деле раз за разом теряя одну позицию за другой. К сожалению, идеи современных псевдоученых-креационистов куда легче понять: на осознание теорий настоящей науки требуется-таки потратить немало усилий.
Как в мир РНК пришли белки
В 1964 г. Темин выдвинул гипотезу о существовании вирусспецифичного фермента, способного синтезировать на РНК-матрице комплементарную ДНК. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Сторонники гипотезы РНК-мира считают, что на начальном этапе зарождения жизни на нашей планете возникли автономные РНК-системы, которые катализировали «метаболические» реакции (например, синтеза новых рибонуклеотидов) и самовоспроизводились. Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь. Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК. Летающие лисы. Подписаться. Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. Показать больше.
РНК у истоков жизни?
В практическом плане необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения. В частности, исследования магний-зависимого самораспада РНК в водных растворах позволяют создавать молекулярно-кинетические маркёры, позволяющих количественно оценивать эффект взаимодействия «генотип-среда» у растений и животных. Белки же выступают в роли действующего начала: молекулы белков-ферментов катализируют тысячи химических реакций, протекающих в клетке. Ещё недавно такое «разделение труда» между информационными и действующими молекулами считалось одним из основополагающих принципов биохимии.
Однако в последние десятилетия эта схема была пересмотрена в связи с открытием того, что РНК может выступать в качестве фермента. Вся активная жизнь построена на обмене веществ - метаболизме, и все биохимические реакции метаболизма происходят с надлежащими для обеспечения жизни скоростями только благодаря высокоэффективным катализаторам, созданным эволюцией. На протяжении многих десятилетий биохимики были уверены, что биологический катализ всегда и всюду осуществляется белками ферменты или энзимы.
Но в 1982-1983 гг. Такие РНК-катализаторы были названы рибозимами. Представлению об исключительности белков в катализе биохимических реакций пришёл конец.
В настоящее время рибосому тоже принято рассматривать как рибозим. Все имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что синтез полипептидной цепи белка в рибосоме катализируется рибосомной РНК, а не рибосомными белками. Идентифицирован каталитический участок большой рибосомной РНК, ответственный за катализ реакции транспептизации, посредством которой осуществляется наращивание полипептидной цепи белка в процессе трансляции [27].
Для проявления рибозимных свойств РНК необходимы катионы магния. Один из основоположников молекулярной биологии Джеймс Уотсон в 1985 году побывал в Москве. В весьма обширном интервью Уотсона представителю журнала «Химия и жизнь» на вопрос о возможности больших обобщений и упрощений в молекулярно-биологических знаниях, подобно тому, как это периодически происходит в физике, когда в процессе накопления фактов и деталей вдруг наступает момент, когда они все охватываются единым и очень экономичным объяснением, он ответил: «Нет, у нас, я думаю, время простоты никогда не настанет.
Мы всегда, рассуждая о гене, будем вынуждены говорить о считывании с него информации и о регуляции этого считывания, о воплощении этой информации в белки и о регуляции этого воплощения, и о многом-многом другом. Ведь даже простейшая форма жизни нуждается примерно в тысяче разных белков». Но в дальнейшем течении интервью Дж.
Уотсон озадаченно отмечает: «Я думаю, что самым важным из неожиданных событий последних лет было открытие «сплайсинга» РНК сшивания РНК без всяких ферментов. Это очень важно для проблемы происхождения жизни» [17]. Это было в самом начале экспериментального процесса в науке, который привёл к созданию концепции «мир РНК».
Уотсон ещё не мог в полной мере представить те изменения, которые стремительно последуют в ближайшие годы в мировоззрении учёных и которые приведут к принципиально важному выводу о том, что большие обобщения и упрощения знаний в молекулярной биологии вполне вероятны на основе исследования центрального звена живой материи -молекул РНК, представляющих собой удивительное вещество, поражающее разнообразием своих типов и функций, красотой и согласованностью процессов, в которых оно принимает участие. Открытие рибозимов Молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов таких, как теломераза, позволяющая клеткам быстро размножаться без старения , но отдельные виды обладают собственной активностью. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав.
Началась история исследований этого феномена в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены эти необычные ферменты. В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов. Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата то есть той молекулы, которая и подвергается изменению , а саму катализируемую реакцию выполняет белок.
Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка, оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.
Самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию. Эндорибонуклеазная активность самой РНК вне связи с белком была впервые обнаружена Т. Чеком в 1980 г.
С тех пор аутокаталитические реакции расщепления были выявлены у многих молекул РНК. Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами. За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии [34, 35].
Вместе с тем показано, однако, что рибозимы современных организмов обладают весьма ограниченным диапазоном каталитических активностей, осуществляющих преимущественно реакции гидролиза и переноса фосфодиэфирных связей в самой РНК, а также в ДНК. Представления о возможностях РНК катализа значительно расширились с развитием методов искусственного отбора и амплификации молекул из синтезированных хаотических последовательностей РНК. Оказалось, что рибозимы, полученные в результате молекулярной селекции, катализируют образование полимерных цепей, комплементарных материнским молекулам РНК.
Они также способны катализировать реакции, имеющие прямое отношение к биосинтезу белка, например, перенос аминоацильных и пептидильных радикалов и образование пептидной связи. С этим хорошо согласуется тот факт, что рибосомная 23 8 РНК выполняет каталитическую функцию в биосинтезе белка и нельзя исключить, что именно полинуклеотидный катализатор обеспечивает пептидилтрансферазную активность современной рибосомы. Эти результаты дают основание полагать, что каталитические активности, присущие полирибонуклеотидным молекулам, могли обеспечить развитие процессов репликации и трансляции в мире РНК [4, 7].
После открытия Т. Чеком с соавторами в 1981-1982 гг. Именно открытие рибозимов РНК-ферментов привело к созданию концепции «мира РНК» - мира, который, вероятно, возник и существовал задолго до оформления ныне существующего «ДНК-белкового мира».
Вскоре после открытия рибозимов в одной из работ родоначальник и классик молекулярной биологии Ф. Крик писал: «Эти эксперименты по каталитической РНК поддерживают гипотезу, что биохимия РНК предшествовала традиционной биохимии, основанной на нуклеиновых кислотах и белках». Эта книга в последствие неоднократно переиздавалась.
Авторы, среди которых был и Чек, обсуждали на страницах объёмистого тома эволюционные аспекты зарождения катализа, специфичность и функции макромолекул. В начале 1990-ых годов ещё никто не мог предполагать взрыва интереса к РНК, и книга пользовалась интересом главным образом среди теоретиков. Теперь же совсем другое дело.
Можно только поразиться провидческой способности редакторов первого издания, которые предпослали книге подзаголовок: "Природа современной РНК предполагает её пребиотичность" [16]. Новый взгляд на происхождение жизни на планете Земля Проблема происхождения жизни приобрела неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание учёных разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира.
В конце 60-ых годов XX века известный английский учёный Джон Бернал в своей монографии «Возникновение жизни» 1967 писал: «Гипотеза Уотсона и Крика, предложенная ими в 1953 году, произвела полный переворот в биологии, да и, можно сказать, в науке вообще. Возможность приложения этой гипотезы к проблеме возникновения жизни очевидна, хотя и не осознаётся ещё должным образом даже её авторами.... Успехи, достигнутые молекулярной биологией, заставили нас пересмотреть многое из того, что прежде считалось очевидным...
Лишь после работ Уотсона, Крика и Ниренберга, раскрывших всю сложность процесса белкового синтеза, нам стало ясно, что здесь мы имеем дело с тончайшим механизмом воспроизведения - воспроизведения не столько самих организмов, сколько составляющих его молекул» [3]. Однако до 80-ых годов XX века, ввиду отсутствия экспериментально мотивированного ответа на вопрос о том, как сформировались в эволюции системы декодирования генетической информации нуклеиновых кислот в структурные параметры белков, проблема возникновения организмов, одновременно обладавших каталитическим и генетическим аппаратом, казалось неразрешимой. Возможность решения этой проблемы открывалась, если предположить, что на начальных этапах эволюции обе функции могли быть объединены, в каком-либо одном классе биополимеров.
Следует сказать, что, несмотря на экспериментальные свидетельства абиотической конденсации аминокислот в каталитически активные полимеры, неспособность полипептидов в отличие от полинуклеотидов реплицироваться с образованием комплементарных последовательностей не позволяла рассматривать белки в качестве хранителя и переносчика генетической информации. Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК.
Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения репликации. Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции. Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом.
Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов.
Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом. Если одна из цепочек обладает петлей шпилькой , то возможно образование молекулы РНК, которая действует как рибозим типа hammerhead, способный осуществлять собственное расщепление. В дальнейшем начинается самовоcпроизводство этого энзима в соответствии с первой моделью.
Репликация полимера происходила на основе циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами типично для циклов день-ночь , что позволяет предположить, что древние полимеры, возможно, полагались на такие циклы для своего размножения. Неорганические поверхности, такие как камни, также могли способствовать этому процессу.
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. 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.
Когда планета начала охлаждаться, РНК, как заявляет Картер, не смогла бы эволюционировать и поддерживать синхронизацию и далее.
Проверка а ранее не стяжавшая популярности гипотеза толком и не проверялась, не считая экспериментов самого автора внезапно показала, что этих ваших способных образовывать коацерватные капли полиароматических углеводородов в этом вашем космосе чуть больше, чем…много. Пятая часть углерода в составе туманностей входит в данные соединения.
На молодой Земле они не могли представлять редкости. И в водном растворе вышеуказанные капли действительно обладают свойством накапливать нужные для синтеза РНК реагенты. Предполагается, таким образом, что возникнув внутри капелек, автокаталитические молекулы прошли длительный путь развития, совершенствуясь, образуя «колонии», пополняя и облагораживая микроскопическую среду обитания продуктами реакций, катализ которых они учились осуществлять.
И клетка появилась как результат постепенного замещения абиогенных цитоплазмы и мембраны биогенными уже аналогами. Гипотеза выглядит убедительной, перспективной, но и крайне сложной для экспериментальной проверки. Просто собрать РНК в пробирке, и проделать всё то же самое, но уже внутри плавающих в пробирке коацерватных капелек — две очень большие разницы.
О жизни из нафталина?