I mange tiår har biologer, kjemikere og til og med matematikere arbeidet med problemet med livets opprinnelse. Og selv om det allerede er vitenskapelig underbyggede og støttede hypoteser om kjemisk utvikling før utseendet til den første cellen, fortsetter arbeidet i denne retningen. "Lenta.ru" snakker om en ny studie om problemet med RNA-verdenen, hvis resultat ble publisert i tidsskriftet Proceedings of National Academy of Sciences.
Forskere ved Portland State University, som utførte eksperimenter på ribozymer, fant ut at muligheten for disse molekylene til å katalysere sin egen samling avhenger av deres interaksjon med andre lignende molekyler. Studien støtter indirekte hypotesen om RNA-verdenen, som sier at det første organiske molekylet som ble grunnlaget for de første cellene var RNA. Disse RNA-molekylene var i stand til å selvsyntetisere, konkurrere med hverandre og delta i prebiotisk utvikling, da de mest vellykkede forbindelsene ble grunnlaget for mer sammensatte kjemiske komplekser.
Mange vet at levende celler har sine egne spesielle katalysatorer: enzymer, som er komplekst brett proteinmolekyler som utfører vitale reaksjoner. Enzymer kan imidlertid ikke bare være proteiner, men også RNA-kjeder. Husk at RNA er en nukleinsyre, veldig lik DNA, men skiller seg fra den ved at den inneholder ribosesukker (ikke deoksyribose), og en av de nitrogenholdige basene - tymin - erstattes av uracil. Ifølge forskere dukket RNA opp før DNA, fordi det er mye mer labilt (strukturen er mer utsatt for endringer) og kan utføre katalytiske reaksjoner uten hjelp av proteiner. RNA-molekyler som er enzymer kalles ribozymes. Typisk katalyserer ribozymer spaltningen av seg selv eller andre RNA-molekyler.
Et av de mest studerte ribozymene er Azo, et enzym laget av forskere fra selvskjærende gruppe I-introner som finnes i DNAet til bakterien Azoarcus. Introner er regioner av gener som ikke inneholder informasjon om sekvensen til et protein eller nukleinsyre, og blir skåret ut under messenger RNA (mRNA) modning. Alle gruppe I-introner katalyserer sin egen eksisjon fra RNA-sekvensen. Intron-ribozymet Azo av interesse for forskere er lokalisert i et gen som koder for et transport-RNA (tRNA) som bærer aminosyren isoleucin. Inne i cellen utfører Azo, som andre ribozymes, sin egen eksisjon fra tRNA, men under laboratorieforhold var han i stand til å lære å utføre omvendt skjøting: ribozymet kutter på et bestemt sted underlaget - et kort RNA-molekyl med en viss nukleotidsekvens,biter av disse forblir festet til Azo.
Strukturen til ribozymet til bakterien Azoarcus. Fragment IGS er merket med rødt
Bilde: Jessica AM Yeates et al. Institutt for kjemi, Portland State University
Azo er omtrent 200 nukleotider lang og kan brytes ned i to, tre eller fire fragmenter som spontant samles ved 42 grader i nærvær av MgCl2-løsning. Selvmonteringsprosessen begynner med et samspill mellom to nukleotid-trillinger (trillinger) som tilhører forskjellige RNA-fragmenter. Når det dannes hydrogenbindinger mellom tripplene i samsvar med prinsippet om komplementaritet, endrer delene av ribozymet sin romlige struktur og gjenforenes med hverandre. Forskere fokuserte på selvmonteringsreaksjonen til to fragmenter, som foreløpig ble kalt WXY og Z, hvor W, X, Y og Z representerer separate regioner av ribozymet omtrent 50 nukleotider (fig. 1). På stedet W, i fremre ende av RNA-molekylet, er en av tripplene lokalisert,som er involvert i initiering av selvsamling og kalles "intern ledesekvens" (IGS). På slutten av WXY er det en merketriplett, som, i samspill med IGS, danner en sterk kovalent binding med Z-fragmentet.
Salgsfremmende video:
Forskerne skapte forskjellige varianter (genotyper) av WXY-fragmenter ved å endre nukleotidene som ligger midt i IGS- og tag-triplettene (henholdsvis nukleotidene M og N). Siden RNA-molekyler vanligvis dannes av bare fire typer nukleotider, er det 16 slike varianter. For eksempel kan en av genotypene være 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', og den andre 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Alle disse variantene av molekyler kan konkurrere med hverandre og danne forskjellige metabolske nettverk, der en felles ressurs - Z-molekylet - er nødvendig for å gjenopprette et helt ribozym.
Reaksjonen mellom forskjellige fragmenter av Azo ribozym for å danne et helt molekyl
Bilde: Jessica AM Yeates et al. Institutt for kjemi, Portland State University.
I sine eksperimenter testet forskere først evnen til hver genotype til å montere seg separat. Når M og N danner Watson-Crick-par (det vil si i samsvar med prinsippet om komplementaritet, A - U, C - G), blir selvsamlingshastigheten for ribozym høyere enn for andre typer par. Forskerne simulerte deretter et varmt "lite tjern" -miljø der forskjellige prebiotiske molekyler interagerer med hverandre for å få fordeler av hverandre og akselerere egenorganisering. Biokjemister sporet oppførselen til genotyper parret med hverandre, totalt studerte forskere 120 par, bestående av to forskjellige WXY-varianter. De målte frekvensen for hver reaksjon som fant sted mellom molekyler av de to WXY-genotypene og Z-fragmentene i separate rør i 30 minutter.
Interaksjon mellom sekvenser av forskjellige ribozymfragmenter ved bruk av hydrogenbindinger
Bilde: Jessica AM Yeates et al. Institutt for kjemi, Portland State University
Ved å kombinere resultatene fra begge trinn i eksperimentet og ha oppnådd selvmonteringsgraden når to forskjellige genotyper samhandler, satte forskerne opp et evolusjonsforsøk. Par av genotyper ble blandet i like proporsjoner, forsynt med Z-fragmenter og reagerte med hverandre i fem minutter. I løpet av denne tiden prøvde forskerne 10 prosent av løsningen i et nytt prøverør, som inneholdt mer uomsatt WXY av hver genotype og Z-fragmenter. Forskere sporet forholdstallene til hver WXYZ-genotype under åtte slike overføringer. Dette gjorde det mulig å estimere den kjemiske ekvivalenten til den evolusjonære suksessen til ribozymes gjennom generasjoner, som ble observert som en "eksplosjon" - det vil si en sterk økning i frekvensen av selvmontering av RNA. I et evolusjonseksperiment studerte biologer interaksjonen mellom syv par ribozymer.
Basert på alle laboratorieeksperimenter har forskere avledet en matematisk modell av differensialligninger som tar hensyn til frekvensen av selvsamling av genotyper med eller uten tilstedeværelse av andre genotyper. Denne modellen ble grunnlaget for en ny evolusjonær spillteori, som definerer flere oppførsel av RNA-molekyler. I det ene tilfellet, kalt "Dominans", er en av genotypene alltid mer vanlig enn den andre, mens dens selvmonteringshastighet alltid overskrider konkurrentens hastighet. I det andre tilfellet - "Samarbeid" - får begge genotyper som interagerer med hverandre fordeler av "samarbeid", og hastigheten på deres selvsamling overstiger den de ville ha separat fra hverandre. Det "egoistiske scenariet" - det motsatte av "samarbeidet" - betyr at hvert ribozym individuelt får mer enn når de er i samspill med noen andre. Og endeligi "Motdominans" begynner genotypen med lav selvmonteringsfrekvens plutselig å forekomme oftere enn konkurrenten.
Denne studien er ikke rettet mot å direkte bevise RNA verdenshypotesen, men den representerer en annen brikke i puslespillet om vitenskapelig forståelse av prebiotisk evolusjon. Det ble vist for første gang at de enzymatiske egenskapene til individuelle molekyler kan forbedres i nærvær av andre molekyler som bare skiller seg fra ett eller to nukleotider. I den gigantiske løsningen som var jordens hav ved livets morgen, konkurrerte disse molekylene med hverandre om underlag, samarbeidet og forsterket deres handling. På bakgrunn av dette kan det allerede antas hvorfor komplekse organiske forbindelser forsøkte å forene seg til systemer som er prototyper av de første cellene.
Alexander Enikeev
