Тайна появления жизни на Земле. Часть третья: в поисках первого репликатора
Итак, после 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые из них были убеждены в том, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточились на важности генетики и репликации. Эта последняя группа начала выяснять, как мог бы выглядеть первый репликатор, подразумевая, что он был сделан из РНК.
Часть первая: как сделать клетку?
Часть вторая: раскол в рядах ученых
Уже в 1960-е годы ученые имели основания полагать, что РНК была источником всей жизни.
В частности, РНК может делать кое-что, чего не может ДНК. Это одноцепочечная молекула, поэтому, в отличие от жесткой, двухцепочечной ДНК, она может складывать себя в целый ряд различных форм.
Похожая на оригами, складывающаяся РНК в целом напоминала по поведению белки. Белки тоже в основном представляют длинные цепи - только из аминокислот, а не нуклеотидов - и это позволяет им создавать сложные структуры.
Это ключ к самой удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорять, или «катализировать», химические реакции. Такие белки известны как ферменты.
Множество ферментов можно найти у вас в кишках, где они разбивают сложные молекулы из пищи на простые типа сахаров, которые могут использовать ваши клетки. Без ферментов жить было бы невозможно.
Лесли Оргел и Фрэнсис Крик начали кое-что подозревать. Если РНК может складываться как белок, возможно, она может и образовывать ферменты? Если бы это было правдой, то РНК могла бы быть оригинальной - и универсальной - живой молекулой, хранящей информацию, как это делает сейчас ДНК, и катализирующей реакции, как это делают некоторые белки.
Это была прекрасная идея, но за десять лет она не получила никаких доказательств.
Томас Чех, 2007 год
Томас Чех родился и вырос в штате Айова. Еще ребенком он был очарован горными породами и минералами. И уже в младших классах средней школы он заглядывал в местный университет и стучался в двери геологов с просьбой показать модели минеральных структур.
Однако, в конце концов, он стал биохимиком и сосредоточился на РНК.
В начале 1980-х годов Чех и его коллеги по Университету Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм Tetrahymena thermophila. Часть ее клеточного механизма включает цепи РНК. Чех обнаружил, что отдельный сегмент РНК каким-то образом оказался отделен от остальных, словно его вырезали ножницами.
Когда ученые убрали все ферменты и другие молекулы, которые могли выступать молекулярными ножницами, РНК продолжала выделываться. Так они нашли первый фермент РНК: короткий участок РНК, который способен вырезать себя из длинной цепи, частью которой является.
Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая группа ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент). Обнаружение двух ферментов РНК одного за другим указывало на то, что их должно быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начала выглядеть солидно.
Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт также стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека.
В 1986 году Гилберт написал в Nature, что жизнь началась в «мире РНК».
Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую деятельность, необходимую для сборки самих себя в бульон нуклеотидов». Копируя и вставляя различные биты РНК вместе, молекулы РНК могли создавать еще более полезные последовательности. Наконец, они нашли способ создавать белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни, которую мы имеем.
«Мир РНК» - это элегантный способ собрать сложную жизнь с нуля. Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна за всех» молекула могла сделать всю работу.
В 2000 году гипотеза «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств.
Рибосома делает белки
Томас Стейц провели 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру рибосомы.
Рибосома есть в каждой живой клетке. Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, чтобы сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую часть вашего тела.
Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК была каталитическим ядром рибосомы.
Это было важно, так как рибосома фундаментально важна для жизни и при этом очень древняя. Тот факт, что эта важнейшая машина была построена на РНК, сделал гипотезу «мира РНК» еще более правдоподобной.
Сторонники «мира РНК» восторжествовали, а в 2009 году Стейц получил долю Нобелевской премии. Но с тех пор ученые начали сомневаться. С самого начала у идеи «мира РНК» было две проблемы. Могла ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? Могла ли она образоваться на ранней Земле?
Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли твердых доказательств, что РНК может выполнять все, что от нее требует теория. Это маленькая умелая молекула, но она может не уметь всего.
Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была быть способна делать копии себя: она должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся.
Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Им нужен батальон ферментов и других молекул, чтобы создать копию или кусочек РНК или ДНК.
Поэтому в конце 1980-х годов несколько ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно.
Джек Шостак
Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, кто принял в этом участие. В детстве он был так очарован химией, что завел лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка.
В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа бесподобна», говорит он. «В принципе, вполне возможно, что РНК катализирует собственное воспроизводство».
В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который может строить короткую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов. Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли.
Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел фермент РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты РНК могут быть по-настоящему мощными. Но их фермент не мог копировать себя, даже чуточку. Шостак оказался в тупике.
Возможно, жизнь началась не с РНК
Следующий крупный шаг осуществил в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Бартель сделал РНК-фермент R18, который мог добавлять новые нуклеотиды в цепь РНК на основе существующего шаблона. Другими словами, он добавлял не случайные нуклеотиды: он правильно копировал последовательность.
Пока это был еще не саморепликатор, но уже что-то похожее. R18 состоял из цепи 189 нуклеотидов и мог надежно добавлять 11 нуклеотидов в цепочку: 6% от собственной длины. Была надежда, что несколько настроек позволят ему построить цепь длиной в 189 нуклеотидов - как и он сам.
Лучшее, что удалось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. Это 48% от его собственной длины: больше, чем у R18, но далеко не 100%.
Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольном из Института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. В 2009 году они создали фермент РНК, который размножается косвенно. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента. Затем объединяет другие два кусочка РНК, чтобы воссоздать исходный фермент.
При наличии сырья этот простой цикл можно продолжать до бесконечности. Но ферменты работали только тогда, когда им давали правильные цепочки РНК, которые приходилось делать Джойсу и Линкольну.
Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, по всей видимости, просто не может взять и начать жизнь.
Также проблему усугубила неудача химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая молекула по сравнению с ДНК, но сделать ее чрезвычайно трудно.
Проблема лежит в сахаре и основании, которые составляют каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них по отдельности, но они упорно отказываются связываться. К началу 1990-х годов эта проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, что гипотеза «мира РНК», несмотря на всю привлекательность, может быть не совсем верной.
Вместо этого, возможно, на ранней Земле был какой-то другой тип молекулы: что-то проще, чем РНК, которая на самом деле могла собрать себя из первичного бульона и начать самовоспроизводиться. Сначала могла быть эта молекула, которая затем привела к РНК, ДНК и остальным.
ДНК вряд ли могла образоваться на ранней Земле
В 1991 году Питер Нильсен из Университета Копенгагена в Дании придумали кандидата в первичные репликаторы.
Это была по существу сильно модифицированная версия ДНК. Нильсен сохранил те же основы - A, T, C и G, имеющиеся в ДНК, - но сделал основную цепь из молекул под названием полиамиды, а не из сахаров, которые также имеются в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Непонятным образом с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.
ПНК никогда не встречали в природе. Но ведет она себя практически как ДНК. Цепочка ПНК даже может занимать место одной из цепей молекулы ДНК, и основания спариваются как обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спираль, как ДНК.
Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к РНК-миру, он подозревал, что ПНК была куда более вероятным кандидатом на первый генетический материал.
В 2000 году он произвел несколько уверенных доказательств. К тому времени ему уже стукнуло 70 и он пережил несколько инсультов, которые могли отправить его в дом престарелых, но не сдался. Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду - и получил полиамидную основу ПНК.
Это позволило предположить, что ПНК, в отличие от РНК, вполне могла образоваться на ранней Земле.
Молекула треозо-нуклеиновой кислоты
Другие химики придумали собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.
В 2000 году Альберт Эшенмозер сделал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК). Это та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Цепи ТНК могут образовывать двойную спираль, а информация копируется в обоих направлениях между РНК и ТНК.
Более того, ТНК может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. Это намекает на то, что ТНК может действовать как фермент, подобно РНК.
В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту, которая может формировать спиральные структуры.
У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники. Но никаких следов их в природе не найти, поэтому если первая жизнь действительно использовала их, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но никаких доказательств нет.
В итоге к середине 2000-х годов сторонники мира РНК оказались в затруднительном положении.
С одной стороны, РНК-ферменты существовали и включали одну из важнейших частей биологической инженерии, рибосому. Хорошо.
Но самовоспроизводящуюся РНК найти не удалось и никто не мог понять, как РНК сформировалась в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, что они существовали в природе. Не очень хорошо.
Очевидный вывод был таким: «мир РНК», несмотря на свою привлекательность, оказался мифом.
Между тем с 1980-х годов постепенно набирала обороты другая теория. Ее сторонники утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или другого генетического вещества. Вместо этого она началась с механизма использования энергии.
Жизни нужна энергия, чтобы оставаться живой
Продолжение - будет.
