У нових статтях, опублікованих біохіміками з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл та Університету Окленда, висловлюється гіпотеза про те, що життя на Землі виникло в результаті взаємодії нуклеїнових кислот і білків (пептидів), що призвело до формування генетичних “залишків” перших проторганізмів. Ця гіпотеза “пептид-РНК” суперечить широко поширеній теорії “РНК-світу”, яка стверджує, що життя виникло з нуклеїнових кислот, а тільки пізніше відбулася їхня трансформація в білки.
Ці статті, розміщені в Molecular Biology and Evolution і в Biosystems, описують експериментальні дослідження, які дозволяють зрозуміти, які процеси спонукали біохімічні сполуки до еволюції більше ніж чотири мільярди років тому.
Чарльз Картер, один зі співавторів нової теорії і професор біохімії та біофізики в Школі медицини UNC, зазначає, що вони продемонстрували, що експериментальні результати добре корелюють з теорією “пептид-РНК”, і ці експерименти надають переконливі дані про те, що відбувалося на початку життя на Землі.
Дослідники стверджують, що симбіоз перших ферментів і білків міг не тільки створити примітивний генетичний код, але й ранню біологію, що призвело до більшого розмаїття і складних структур перших форм життя. Пітер Віллс, професор фізики Університету Окленда і ще один співавтор, уточнює: “Ми виклали просто більш імовірний сценарій виникнення життя, порівняно з гіпотезою РНК-світу. Ми сподіваємося, що наші дані і теорія, яку ми виклали в цих статтях, стимулюватиме обговорення і подальші дослідження з питань, пов’язаних з витоками життя”.
Обидва вчені визнають, що гіпотеза РНК-світу все ще домінує в галузі досліджень походження земного життя. “Ця теорія настільки приваблива і корисна, що більшість людей просто не думають, що є якась альтернатива”, - упевнений Картер. “Але ми впевнені в зворотному”.
Перед тим, як виникло життя, на Землі існували прості хімічні сполуки, які виробляли як амінокислоти, так і нуклеотиди (і це залишається поки що загадкою), які зрештою стали примітивними білками та нуклеїновими кислотами, необхідними для формування окремих клітин. Згодом самі клітини стали рослинами і тваринами.
Дослідження показало, як первинний хімічний суп створив будівельні блоки життя. Далі все просто - існує широко поширений науковий консенсус щодо історичного шляху, яким клітини еволюціонували в рослини і тварини.
Однак, як і раніше, залишається незрозумілим, як основні блоки амінокислот спочатку “збиралися” відповідно до закодованих шаблонів нуклеїнової кислоти в білки, а потім як запустився процес формування клітин.
Теорія РНК-світу стверджує, що РНК - молекула, яка сьогодні відіграє чільну роль у кодуванні, регуляції та експресії генів, піднеслась від первинного супу амінокислот і космічних хімічних сполук, що призвело до отримання коротких білків, які називаються пептидами, а потім - до одноклітинних організмів. Чому відбулося таке “піднесення”, залишається загадкою.
Картер і Віллс вважають, що РНК не може самостійно ініціювати “природний синтез”, оскільки вона не має внутрішнього компонента, який вчені називають “рефлексивністю”. Білки не можуть самостійно застосовувати правила, за якими вони були створені, без зовнішнього втручання або каталізатора.
РНК потрібна пептидам для створення рефлексивного циклу зворотного зв’язку, щоб виробляти життєві форми. Тобто, теорія РНК-світу передбачає наявність готових форм життя, які могли б синтезувати амінокислоти на початковому етапі, хоча її прихильники цього не визнають.
Це, звичайно, абсурдно, якщо ми говоримо про автентичне походження життя. Основу теорії пептид-РНК складають ферменти, які, незважаючи на свою давнину, все ще зустрічаються в усіх живих клітинах і навіть в деяких субклітинних структурах, таких як мітохондрії та віруси.
Відомо 20 давніх ферментів, так званих аміноацил-тРНК-синтетаз (aaRS). Кожен з них розпізнає одну з 20 амінокислот, які слугують як будівельні блоки білків (білки каталізують і синхронізують хімічні реакції всередині клітин).
У сучасних організмах aaRS ефективно пов’язує свою призначену амінокислоту з рядком РНК, який містить три нуклеотиди, комплементарні до схожої в транскрибованому гені. Таким чином, aaRS відіграють центральну роль у перетворенні генів на білки, процесі, що називається трансляцією, який необхідний для всіх форм життя.
20 ферментів aaRS належать до двох структурно різних родин, кожна з яких має у своєму розпорядженні 10 aaRS. Нещодавні експериментальні дослідження Картера показали, що два найдавніші ферменти цих родин були закодовані протилежними додатковими ланцюгами одного і того ж малого гена. Простота компонування, з його початковим двійковим кодом тільки двох видів амінокислот, припускає, що це сталося на самому ранньому етапі біологічного світу.
Більше того, жорстка, інь-янська взаємозалежність цих двох споріднених, але сильно відмінних ферментів стабілізувала ранню біологію в такий спосіб, що неминуче потягнула за собою послідовну диверсифікацію життя, яке формувалося.
“Взаємозалежні пептиди та нуклеїнові кислоти, що їх кодують, могли б допомогти молекулярній самоорганізації один одного, незважаючи на постійні випадкові порушення, які оточують усі молекулярні процеси”, - переконаний Картер. - “Ми вважаємо це тим, що породило світ пептид-РНК на ранній стадії історії Землі”.
Пов’язані дослідження колеги Картера та Річарда Вольфендена з UNC раніше показали, як хімія амінокислот дала змогу першим ферментам aaRS правильно складатися у функціональні ферменти, одночасно визначаючи призначення в таблиці універсального генетичного кодування.
“Примус до взаємозв’язку між генами та амінокислотами залежить від aaRS, які самі кодуються генами та зроблені з амінокислот”, - переконаний Віллс. - “Своєю чергою, aaRSs залежать від того самого відношення. Тут є базова рефлексивність. Теоретик Дуглас Хофстадтер назвав це “дивною петлею”. Ми припускаємо, що цей фактор теж зіграв вирішальну роль у самоорганізації біології, коли життя почалося на Землі. Хофстадтер стверджував, що рефлексивність забезпечує силу, що сприяє зростанню складності”.
Картер і Віллс висунули дві додаткові аргументи, які обгрунтовують, чому біологія на основі чистої РНК малоймовірно могла бути передумовою для біології на основі пептид-РНК. Перший аргумент стосується каталізу з використанням інших молекул.
Каталіз є ключовою властивістю біології, яку РНК не може виконувати з достатньою універсальністю. Наприклад, РНК-ферменти не можуть легко адаптуватися до змін температури, які, ймовірно, відбулися з охолодженням Землі, і тому не можуть виконувати широкий діапазон каталітичних прискорень, необхідних для синхронізації біохімії ранніх клітинних форм життя. Тільки пептидні або білкові ферменти мають таку каталітичну універсальність.
Другий аргумент пов’язаний з тим, що будь-які зовнішні зміни (подразники) заблокували б перехід від світу чистої РНК до світу білок-РНК і далі до життя.
“Перехід від РНК до життя на основі клітин вимагав б “блакитної” появи білка, схожого на aaRS, який працював би навіть краще, ніж його адаптований аналог РНК”, - стверджує Картер. - “Ця вкрай малоймовірна подія мала статися не один, а кілька разів - один раз для кожної амінокислоти в наявному генно-білковому коді. Це просто не має сенсу”.
Нова теорія Картера-Віллса фактично розв’язує реальні проблеми походження життя, які приховані через доцільність гіпотези РНК-світу, насправді це набагато простіший звіт про те, що, найімовірніше, сталося незадовго до того, як життя вирвалося з початкового супу.
Але все ж проблема біогенезу залишається невирішеною: що ми називаємо життям, точніше кажучи тим, що визначається як початок біології?
