Forskere fra University of Cambridge har mottatt nye bevis til fordel for RNA verdenshypotesen. Det viste seg at små aminosyrekjeder, kombinert med RNA, forbedrer deres katalytiske egenskaper, slik at de kunne bli mindre avhengige av giftige ioner. Og dette er en nødvendig betingelse for dannelse av de første cellene. "Lenta.ru" snakker om arbeidet som er publisert i tidsskriftet Nature.
I henhold til hypotesen om RNA-verden, oppsto livet fra et enkelt biologisk system der det ikke var DNA og proteinmolekyler. Det besto av RNA-komplekser som ikke bare kan lagre genetisk informasjon, men også katalysere kjemiske reaksjoner (i dette tilfellet ble de kalt ribozymes). Med andre ord kombinerte de funksjonene til DNA og enzymer. Da førte kombinasjonen av RNA med peptider og deoksyribonukleinsyre til fremveksten av encellede organismer. Spørsmålet oppstår imidlertid: hva var fordelen med interaksjonen mellom RNA-verdenen og proteiner?
Ribozymes, kalt RNA-polymeraser, antas å ha utgjort hovedtyngden av RNA-verdenen. De var replikatorer - objekter som er i stand til selvreplikasjon. Ressursene for dette var nukleotider i den primære buljongen. I begynnelsen hadde ribozymer vanskelig for å kopiere seg fordi deres katalytiske evner ikke ble utviklet. De gjorde feil, noe som resulterte i ribozym med mutasjoner. Disse endringene kunne frata RNA-polymerase muligheten til å katalysere, men i noen tilfeller ble denne kvaliteten tvert imot forbedret. Over tid reproduserte ribozymer raskere og mer nøyaktig, ble flere og vant konkurransen om ressurser.
Dermed var ribozymes de primære genomene, siden de lagret genetisk informasjon om sin egen sekvens. Senere ble de innkapslet i partikler dannet av lipidmembraner, noe som førte til dannelsen av den første protocellen. Forskere er i stand til å syntetisere analoger av RNA-polymerase ribozym, som katalyserer syntesen av andre ribozymer, eller til og med kopierer korte sekvenser av ribonukleotider. Det er imidlertid fortsatt ikke mulig å få en ribozymreplikator.
Ribosome Thermus thermophilus
Bilde: Public Domain / Wikimedia
Det er et annet problem også. Ribbozymene som er syntetisert i laboratorier, er bare aktive ved veldig høye konsentrasjoner av magnesiumioner, som ødelegger lipidmembraner. Dette betyr at det er en grunnleggende inkompatibilitet mellom ribonukleiske RNA-polymeraser og prosessene for dannelse av protoceller.
Salgsfremmende video:
Situasjonen reddes ved at RNA-molekylene ikke er blitt isolert fra mange andre kjemiske forbindelser, for eksempel peptider. Ribozymes kunne samarbeide med aminosyresekvenser, noe som påvirket deres funksjon. Dette støttes også av det faktum at aktiviteten til ribozymer som spleisosomer (kuttede introner fra modnet messenger-RNA), ribosomer (involvert i proteinsyntese) og ribonuklease P (katalysere RNA-nedbrytning) er avhengige av relaterte proteiner. Forskning har vist at visse proteiner som binder seg til ribozymer forårsaker endringer i deres sekundære struktur og funksjon. Når det gjelder ribonukleaser P, kan proteiner således redusere konsentrasjonen av magnesiumioner som er nødvendige for deres aktivitet. Med dette i bakhodet bestemte forskerne å finne ut om peptider kunne påvirke funksjonen til RNA-polymerase ribozymer på lignende måte, og redusere deres avhengighet av magnesium.
For å svare på dette spørsmålet er det nødvendig å velge ikke proteiner, men bare de som en gang hadde interaksjon med ribozymer fra RNA-verdenen. Forskere vendte seg til strukturen til ribosomer, som er en slags molekylær relikvie. Forskningsresultater indikerer at ribosomer i deres moderne form allerede var til stede i LUCA - den felles stamfaren til alle moderne livsformer.
Strukturen til ribosomsubenhetene til Thermus thermophilus
Bilde: Philipp Holliger / Cambridge
I strukturen til ribosomet, dannet av proteiner, ribonukleinsyrer og ioner, registreres dens utvikling. Dermed er basisen til den store ribosomale underenheten beriket med magnesiumioner. Etter hvert ble den gjengrodd med ytterligere moduler der ioner ble erstattet av peptider. Ifølge forskere gjenspeiler forholdet mellom ribozymes og aminosyrekjeder den evolusjonære historien til RNA-verdenen og dens overgang til RNA-peptidverdenen. Derfor ble effekten av peptider fra ribosomer, som regnes som de eldste proteinsekvensene på jorden, analysert.
Forskerne identifiserte flere peptider fra begge ribosome underenheter av bakterien Thermus thermophilus, noe som forbedret aktiviteten til RNA-polymerase Z-ribozym, som replikerer RNA-molekyler.
Fluorescensmikroskopibilde av membranvesikler
Bilde: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Storbritannia
Imidlertid hadde den mest betydningsfulle effekten av det homopolymeriske lysinedekapeptid (K10), en aminosyresekvens på ti lysinmolekyler. Det støttet ribozymfunksjoner ved lave konsentrasjoner av magnesiumioner, og dannet et peptid-ribozymkompleks. Forskere har antydet at dette skyldes stabilisering av mellomprodukter i den katalytiske syklus.
For å teste om dette peptidet kunne fremme aktiviteten til ribozymer i membranrommet, gjennomførte forskerne et eksperiment. Stabile vesikler ble oppnådd, bestående av fosfolipider og diacylglyceroler, inni hvilken RNA ble innkapslet. Ved en konsentrasjon av magnesiumioner på 10 millimol (trygt for membranen) og i nærvær av K10, ble ribozymkatalysert RNA-syntese observert. I fravær av magnesium forekom imidlertid ikke syntesen.
Dette indikerer at peptidene faktisk tillot ribozymer å utføre katalytisk aktivitet ved lave konsentrasjoner av giftige ioner. Som et resultat avtok avhengigheten av RNA-polymeraser av uorganiske molekyler, noe som letter deres utvikling og til slutt, utviklingen av celler.
Alexander Enikeev
