Биологи раскрыли секреты "секса" первой живой молекулы на Земле
Молекулярные биологи выяснили, что первые молекулы РНК не могли "исправлять" опечатки в своей структуре и самокопировали себя только путем проб и ошибок, что замедляло ход ранней эволюции жизни на Земле, говорится в статье, опубликованной в журнале ACS Central Science.
По общепринятой на сегодня теории "РНК-мира", роль белков и ДНК в первых живых организмах на земле играли молекулы РНК. В последствие клеточными процессами стали управлять белки, а роль хранилища генетической информации заняла ДНК. Сегодня ученые экспериментируют с короткими молекулами РНК, пытаясь воспроизвести процесс зарождения жизни в лаборатории.
В частности, молекулярные биологи-эволюционисты сегодня пытаются понять, как возникли первые РНК-молекулы, как они научились копировать себя и как они были впоследствии замещены ДНК и белками, разделившими между собой функции хранения генетической информации и "хозяйственные" роли, которые ранее исполняли рибонуклеиновые кислоты.
Джек Шостак (Jack Szostak) из Массачусетского технологического института в Кембридже (США) и его коллеги нашли возможное объяснение тому, как именно РНК научились собирать самих себя, изучая то, как отдельные генетические "кирпичики", так называемые нуклеотиды, соединяются с одиночными спиралями рибонуклеиновых кислот.
Первые эксперименты с этими "кирпичиками", проведенные нобелевскими лауреатами Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1950 годах, показали, что одиночные звенья РНК и ДНК могут "правильно" соединяться друг с другом в двойной спирали генетического кода только одним образом.
Так, нуклеотид аденозин ("А") всегда образует пары с тимидином ("Т") в ДНК и уридином ("У") в РНК, а гуанозин ("Г") соединяется только с цитидином ("Ц"). Если, к примеру, аденозин случайно соединяется с цитидином внутри спирали генетического кода, то тогда клетка посчитает подобную связь "опечаткой", мутацией, и попытается починить ее при помощи белков, защищающих ДНК от поломок.
Шостак и его коллеги задумались о том, как эта проблема могла влиять на работу первых самокопирующихся молекул РНК, у которых не было подобных белковых "помощников", которые есть у современной ДНК в живых клетках.
Для ответа на данный вопрос ученые провели ряд опытов, в ходе которых они собирали короткие двойные спирали РНК, концы одной из которых были оборваны. Затем биологи помещали их в раствор с большим количеством "букв"-нуклеотидов, замораживали их после соединения с новой "буквой" и просвечивали при помощи рентгена.
Эти опыты показали, что правило Крика-Уотсона, скорее всего, не работало в эпоху "до начала времен". В частности, команда Шостака обнаружила, что одиночные нуклеотиды могут образовать новую спираль и стабильно связываться со второй цепочкой РНК не только "классическим" способом, но и тремя другими путями, образуя иные водородные связи, нежели те, которые привыкли видеть биологи во время изучения ДНК и РНК в живых клетках сегодня.
О чем это говорит' Как считают авторы статьи, данное открытие свидетельствует о том, что развитие РНК-мира и появление первых молекул, способных к самокопированию, шло путем проб и ошибок, с многократными "отступлениями назад" из-за неисправимых случайных ошибок, появляющихся при сборке новых молекул и приводящих их в негодность.
Это, вероятно, замедляло эволюцию жизни на ее первых этапах и могло породить несколько "фальстартов" с полным вымиранием всех живых существ до того, как жизнь научилась контролировать сборку генетического кода и "разработала" правило Крика-Уотсона. Кроме того, возможно, что белки появились на Земле одновременно с РНК, что позволило бы жизни обойти эту проблему "неправильной сборки" генного кода.
