Цепь РНК, способная почти самовоспроизводиться, может быть ключом к происхождению жизни

Согласно гипотезе мира РНК, жизнь началась когда молекулы РНК развили способность создавать больше копий самих себя. Теперь мы обнаружили молекулу РНК, которая почти способна на это – она может выполнять ключевые этапы, но не все сразу.

“Это был долгий поиск того момента, когда вы сможете убедить себя в том, что РНК способна создавать себя при правильных условиях. Я думаю, это показывает, что это возможно”, – говорит Филипп Холлигер в Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания.

В живых клетках белки выполняют ключевые задачи, например, катализируют химические реакции, а рецепты их создания хранятся в двухцепочечных молекулах ДНК. РНК – это химический родственник ДНК, который обычно существует в виде одиночных цепей.

Она не так хороша для хранения информации, как ДНК, потому что она менее стабильна, но она может делать то, чего не может ДНК: сворачиваться с образованием белковоподобных ферментов, которые могут катализировать химические реакции. Поскольку РНК может одновременно хранить информацию и действовать как катализатор, еще в 1960-х годах было высказано предположение, что жизнь могла начаться с молекул РНК, способных катализировать собственное образование.

Но найти такие молекулы оказалось очень сложно. Исследователи давно предполагали, что самореплицирующиеся РНК должны быть относительно большими и сложными, но оказалось, что очень сложно развернуть большие РНК для их репликации.

Более того, хотя было показано, что относительно короткие молекулы РНК могут образовываться спонтанно в правильных условиях, большие молекулы вряд ли могли бы это сделать.

“Это заставило нас задуматься: возможно, мы ошибаемся. Может быть, что-то простое, что-то маленькое, могло бы осуществить этот процесс”, – говорит Холлигер. «И вот мы пошли искать и нашли один».

РНК состоят из строительных блоков, называемых нуклеотидами. Команда начала с генерации триллиона случайных последовательностей длиной 20, 30 или 40 нуклеотидов. Из них они выбрали три, которые могли осуществлять такие реакции, как соединение нуклеотидов. Все три были объединены и прошли несколько этапов эволюции – случайным образом менялись или мутировали части последовательности и выбирались наиболее эффективные варианты.

Полученная молекула, названная QT45, имеет длину всего 45 нуклеотидов. В щелочной воде то есть чуть выше нуляон может использовать одноцепочечную РНК в качестве матрицы для создания комплементарных цепей путем соединения коротких цепей из двух или трех нуклеотидов, включая создание последовательности, комплементарной ее собственной. «В настоящее время он довольно медленный и малодоходный, но это неудивительно», — говорит Холлигер.

QT45 также может создавать больше копий самого себя из этих дополнительных цепей. «Впервые это фрагмент РНК, который может создавать саму себя и свою кодирующую цепь, и это две составляющие реакции саморепликации», — говорит Холлигер. Но до сих пор команде не удалось добиться того, чтобы обе реакции происходили в одном контейнере. Теперь план состоит в том, чтобы и дальше развивать молекулу, и экспериментировать с такими условиями, как циклы замораживания-оттаивания, чтобы увидеть, могут ли обе реакции происходить одновременно.

«Самое интересное то, что как только система начнет самовоспроизводиться, она должна стать самооптимизируемой», — говорит Холлигер. Это потому, что процесс, наполненный ошибками, создаст множество вариантов, некоторые из которых могут работать лучше, создавать больше самих себя и так далее.

«Новые результаты лаборатории Холлигера являются исключительными и являются значительным достижением, приближая нас к полностью самовоспроизводящейся РНК», — говорит Сабина Мюллер в Университете Грайфсвальда в Германии.

«Возможно, наиболее важным аспектом этого открытия является обнаружение последовательности олигомера РНК среднего размера с такими способностями к самосинтезу», — говорит Закари Адам в Университете Висконсин-Мэдисон.

Адам отмечает, что количество одних только последовательностей РНК длиной 45 нуклеотидов «невообразимо велико», поэтому команда преуспела, обнаружив QT45 на основе всего лишь триллиона случайных последовательностей.

На ранней Земле молекулы, подобные QT45, могли самовоспроизводиться. окружающая среда По словам Холлигера, это немного похоже на современную Исландию, где присутствует лед, но также есть гидротермальная активность, вызывающая циклы замораживания-оттаивания и создающая градиенты pH. По его мнению, для изоляции ключевых компонентов потребуется своего рода разделение, но это может произойти по-разному: от карманов талой воды во льду до клеточные везикулы образуются спонтанно из жирных кислот.