Это самая настоящая загадка курицы и яйца.
Жизнь не может существовать без крошечных молекулярных машин, называемых рибосомами, чья работа заключается в переводе генов в белки. Но и сами рибосомы необходимы для создания РНК и белков. Так как же возникла первая жизнь? Исследователи, возможно, сделали первый шаг к разгадке этой тайны. Они показали, что молекулы РНК могут сами по себе производить короткие пептиды - для этого не нужны рибосомы. Более того, эта химия работает в условиях, которые, вероятно, существовали на ранней Земле. "Это важное достижение", - говорит Клаудия Бонфио, химик по происхождению жизни из Страсбургского университета, которая не принимала участия в работе. По ее словам, это исследование дает ученым возможность по-новому взглянуть на то, как создавались пептиды.
Исследователи, изучающие происхождение жизни, уже давно считают РНК центральным игроком, поскольку она может как переносить генетическую информацию, так и катализировать необходимые химические реакции. Вероятно, она присутствовала на нашей планете еще до возникновения жизни. Но чтобы зародить современную жизнь, РНК должна была каким-то образом "научиться" создавать белки и, в конечном итоге, рибосомы. "В настоящее время рибосома просто падает с небес", - говорит Томас Карелл, химик из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана.
Разгадка этой тайны пришла из предыдущей лабораторной работы. В 2018 году Карелл и его коллеги пытались понять, как четыре "канонических" основания РНК могли образоваться из более простых молекул. В современных клетках эти основания РНК - гуанин, урацил, аденин и цитозин - составляют генетические буквы в мессенджерной РНК (мРНК), которые считываются рибосомами и преобразуются в белки. Однако другие "неканонические" основания РНК также повсеместно встречаются в современных клетках, выполняя различные функции. В их число входит стабилизация связей между каноническими РНК и "трансферными РНК", которые помогают рибосомам преобразовывать генетический код мРНК в белки.
Карелл и его коллеги обнаружили, что некоторые из этих неканонических РНК могли быть синтезированы из простых молекул на ранней Земле. Они и другие исследователи показали, что некоторые неканонические основания могут связываться с аминокислотами, строительными блоками белков, что дает возможность соединять их в пептиды.
И вот теперь команда Карелла сообщает, что пара неканонических оснований РНК может делать именно это. Они начали с пар нитей РНК, каждая из которых состояла из нитей оснований РНК, соединенных в цепочку. Эти пары нитей были комплементарны, что позволяло им распознавать и связываться друг с другом. На одном конце первой нити - так называемой "донорной" нити - находилось неканоническое основание РНК, называемое t6A, которое способно связывать аминокислоту. На конце второй нити РНК - так называемой "акцепторной" нити - они добавили еще одно неканоническое основание РНК, называемое mnm5U. Группа Карелла обнаружила, что когда комплементарные донорные и акцепторные нити РНК связывались вместе, mnm5U захватывал аминокислоту на t6A. При добавлении небольшого количества тепла t6A отпускал свою аминокислоту и передавал ее mnm5U, после чего комплементарные нити разъединялись и расходились. Но процесс может повториться. Вторая донорная нить, несущая другую аминокислоту, может затем соединиться с акцепторной нитью и передать свою аминокислоту, которая была связана с первой.
Этот процесс может создавать пептидные цепи длиной до 15 аминокислот, сообщила группа в журнале Nature. Карелл и его коллеги также обнаружили, что когда комплементарные нити РНК, содержащие пары неканонических оснований РНК, связываются вместе, аминокислоты, которые они изначально разделяют, усиливают связь двух нитей РНК. Бонфио считает, что на ранней Земле образование пептидов и РНК могло быть синергетическим: РНК могли способствовать образованию пептидов, а пептиды - стабилизации и образованию все более длинных РНК. Она и Карелл полагают, что этот синергизм мог привести к огромному химическому разнообразию РНК, пептидов и их комбинаций, которые затем могли привести к сложной химии, необходимой для жизни - и все это без необходимости в рибосомах.
Карелл признает, что эта работа - лишь "первая ступенька". Исследователям еще предстоит продемонстрировать, как нити РНК, содержащие канонические основания или иные основания, могли выбрать конкретные строки аминокислот, необходимых для настоящих белков. Но, сделав одну ступеньку, исследователи происхождения жизни теперь имеют представление о том, куда двигаться дальше.
Источник: Science, 11 May 2022