Ключ к происхождению жизни: открыта РНК, способная к синтезу своей копии

Жизнь могла зародиться тогда, когда молекулы РНК научились создавать свои копии. Сегодня мы вплотную приблизились к подтверждению этой гипотезы: обнаружена РНК-молекула, способная выполнять все ключевые этапы самокопирования, пусть и не одновременно.

«Долгий путь к убедительному доказательству того, что РНК в принципе способна воспроизводить себя в подходящих условиях, наконец дает результат. Думаю, теперь мы можем говорить, что это реально», — доволен Филипп Холлигер из Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований в Кембридже, руководивший исследованием.

В живых клетках ключевые функции — например, катализ химических реакций — выполняют белки, а инструкции по их сборке хранятся в двуцепочечной ДНК. РНК — химическая родственница ДНК, которая обычно существует в виде одинарных цепей. Как носитель информации она уступает ДНК из-за меньшей стабильности, но обладает уникальной способностью: свертываться в структуры, напоминающие белковые ферменты, и катализировать химические реакции.

Поскольку РНК умеет и хранить информацию, и выступать в роли катализатора, еще в 1960-х возникла гипотеза, что жизнь началась с молекул РНК, способных катализировать собственное образование. Однако найти такие молекулы оказалось крайне сложно.

Долгое время считалось, что самореплицирующиеся РНК неизбежно должны быть крупными и сложными. Но выяснилось, что разворачивать их для копирования — трудная задача. Более того, если относительно короткие РНК могут спонтанно возникать в подходящих условиях, то для длинных молекул это практически исключено.

«Это заставило нас усомниться: а вдруг мы ошибаемся? Вдруг такой процесс способна осуществлять простая, маленькая молекула? Мы начали поиски — и нашли», — говорит молекулярный биолог.

Триллион вариантов

РНК состоит из звеньев — нуклеотидов. Исследователи создали триллион случайных последовательностей по 20, 30 и 40 нуклеотидов. Из них отобрали три, способные соединять нуклеотиды друг с другом. Эти последовательности объединили и подвергли нескольким раундам эволюции в пробирке, внося случайные мутации и отбирая наиболее эффективные варианты.

Статья об экспериментах вышла в Science. Их результатом стал рибозим QT45 длиной всего 45 нуклеотидов. В слабощелочной воде при температуре, близкой к замерзанию, он способен использовать одноцепочечную РНК как матрицу для сборки комплементарной цепи, соединяя короткие фрагменты из двух-трех нуклеотидов — в том числе и последовательность, комплементарную самому себе (негативную копию). «Пока процесс идет медленно и с низким выходом, но это неудивительно», — поясняет Холлигер.

Более того, QT45 может с помощью таких комплементарных цепей создавать новые копии самой себя.

«Это первая РНК, которая способна создать и себя, и кодирующую ее цепь, — а это и есть две составные реакции саморепликации», — подчеркивает исследователь.

Что дальше

Загвоздка в том, что провести обе реакции в одной пробирке пока не выходит. Ученые работают над этим, занимаясь, во-первых, эволюцией молекулы, во-вторых, подбирая условия (например, циклы замораживания-оттаивания), подходящие для обоих этапов.

«Самое поразительное: как только система запустит саморепликацию, она обязательно начнет самооптимизироваться», — рассчитывает Холлигер.

Это неизбежно, потому что процесс, полный ошибок, будет порождать множество вариаций, некоторые из них получатся удачнее, станут воспроизводиться активнее — и так далее.

«Новые результаты лаборатории Холлигера исключительны. Это серьезный прорыв, который приближает нас к полноценной самореплицирующейся РНК», — оценила профессор Сабина Мюллер из Грайфсвальдского университета.

«Пожалуй, важнее всего здесь то, что удалось обнаружить последовательность РНК умеренной длины, обладающую способностью к самосинтезу», — добавил Закари Адам из Висконсинского университета в Мадисоне.

По его словам, число возможных последовательностей длиной 45 нуклеотидов невообразимо велико, и найти QT45, начав всего с триллиона случайных вариантов — большой успех.

По мнению Холлигера, на ранней Земле молекулы, подобные QT45, могли самовоспроизводиться в условиях, напоминающих современную Исландию: наличие льда, гидротермальная активность, обеспечивающая циклы замерзания-оттаивания и градиенты pH. Для отделения ключевых компонентов нужна была бы какая-то компартментализация (разделение условий), но способов множество — от карманов талой воды во льду до спонтанно образующихся из жирных кислот пузырьков, напоминающих клетки.