Лабораторное исследование показывает, что РНК могла помочь аминокислотам соединиться без предшествующего белкового механизма.
Современная жизнь зависит от белков – клеточных «рабочих лошадок», которые выполняют множество функций: от сокращения мышц до переноса кислорода. А белки, в свою очередь, зависят от РНК, которая содержит рецепты их синтеза и участвует в их сборке. В современных клетках крупные белковые ферменты помогают связывать фрагменты РНК с аминокислотами – строительными блоками белков. Затем клеточная машина, основанная на РНК и белках, называемая рибосомой, сшивает аминокислоты в белковую цепочку, считывая правильную последовательность с более длинной цепи матричной РНК. Но миллиарды лет назад, до появления ферментов и рибосомы, как могли быть созданы первые белки жизни?
Исследователи утверждают, что им удалось разработать вероятный путь, посредством которого РНК и аминокислоты могли бы соединяться для сборки небольших белков, называемых пептидами, без участия сложных ферментов или рибосомы. Работа, опубликованная сегодня в журнале Nature, даёт представление о том, как РНК могла способствовать формированию первых простых белков, что могло бы подготовить почву для эволюции.
«Это первый шаг к тому, чтобы позволить молекулам жизненной информации кодировать пептиды», — говорит Мэтью Паунер, химик из Университетского колледжа Лондона (UCL), возглавлявший исследование. Томас Карелл, химик из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, отмечает, что исследование «даёт замечательные идеи» для разгадки «одной из главных загадок пребиотической химии».
В основе взаимодействия белка и нуклеиновой кислоты лежит процесс, посредством которого РНК связывает аминокислоты. Аминокислоты естественным образом не образуют белки. Сначала их необходимо химически «активировать», после чего они соединяются, как вагоны в поезде. Сегодня биология ускоряет этот процесс с помощью крупных ферментов, которые заставляют аминокислоты реагировать с молекулой клеточной энергии, называемой АТФ. Это создаёт форму аминокислоты, которая может химически соединяться с РНК, образуя активированную комбинацию, известную как аминоацил-РНК. Только после этого эти соединения могут быть переданы рибосоме, которая отщепляет фрагменты РНК, связывая аминокислоты в пептиды.
С 1970-х годов многочисленные группы пытались использовать различные химические стратегии для получения активированных аминоацил-РНК в условиях, имитирующих примитивную среду, подобную той, что существовала на ранней Земле. Но реакции, как правило, работали плохо, если вообще работали, и часто приводили к образованию соединений, нестабильных в воде, что позволяет предположить, что они не обладали достаточной устойчивостью на ранней Земле, говорит Паунер.
В надежде на улучшение результатов Паунер и его коллеги обратились к богатому энергией соединению под названием пантетеин, которое участвует во множестве метаболических реакций в клетках и могло образоваться в озерной воде на ранней Земле, как сообщили исследователи в прошлом году. В новом исследовании исследователи добавили пантетеин в воду, содержащую аминокислоты. Аминокислоты вступили с ним в реакцию, образовав соединение, известное как аминоацилтиол, готовое к реакции с РНК. «Это заставляет аминокислоты реагировать с РНК, а не друг с другом», — говорит Моран Френкель-Пинтер, химик, занимающийся вопросами происхождения жизни из Еврейского университета в Иерусалиме.
РНК может принимать две формы: одноцепочечную или двухцепочечную молекулярную спираль. Когда Паунер и его коллеги пытались провести реакцию аминоацилтиолов с одноцепочечной РНК, аминокислоты связывались с ней хаотично по всей длине РНК. Но когда команда Паунера использовала двухцепочечную РНК, которая больше похожа на ту, что связывается с аминокислотами в клетках, реакции приводили к образованию активированных аминоацил-РНК со структурами, соответствующими структурам, обычно образуемым ферментами. «Это весьма впечатляющее достижение», — говорит Ник Лейн, специалист по химии происхождения жизни из Калифорнийского университета в Лондоне, не сотрудничающий с группой Паунера. «Похоже на химию жизни, хотя и немного отличается».
Паунер и его коллеги продвинули свой эксперимент ещё дальше. Когда они обогатили свой напиток сероводородом и соединениями, называемыми тиокислотами, которые, вероятно, также были широко распространены на ранней Земле, аминокислотные фрагменты аминоацил-РНК начали связываться в пептиды, и всё это без участия ферментов или рибосом.
Лейн предупреждает, что новая работа пока позволяет получать пептиды только со случайным расположением аминокислот, в отличие от генетически контролируемого порядка, осуществляемого рибосомами. «Они всё ещё не решили эту проблему», — говорит Лейн. Паунер соглашается, но отмечает, что текущая работа уже показывает, что некоторые РНК имеют небольшое предпочтение к взаимодействию с определёнными аминокислотами по сравнению с другими. «Это только первый шаг», — говорит он.
Несмотря на выдающуюся работу, Лейн считает, что новая работа помогает преодолеть разрыв между различными точками происхождения лагерей жизни. Десятилетиями одна группа исследователей подчёркивала центральную роль РНК, в то время как другая группа, так называемый лагерь «сначала метаболизм», утверждала, что самоподдерживающиеся химические сети должны были появиться до того, как самореплицирующиеся генетические молекулы, такие как РНК, смогли их использовать. С появлением новых доказательств ключевой роли богатых энергией соединений в связывании аминокислот с РНК, говорит Лейн, «вся эта область исследований постепенно сближается».