Теорията за произхода на живота, включваща РНК-протеинов хибрид, получава нова подкрепа


Цветен TEM на рибозоми, транслиращи MRNA верига.

Карел и колегите бяха вдъхновени от рибозоми – показани тук, превеждащи верига от РНК.Кредит: Omikron/Science Photo Library

Химиците казват, че са решили решаващ проблем в теорията за началото на живота, като демонстрират, че молекулите на РНК могат да свързват къси вериги от аминокиселини заедно.

Констатациите, публикувани на 11 май в природата1поддържа вариация на Хипотеза за “РНК свят”.който предполага, че преди еволюцията на ДНК и протеините, които тя кодира, първите организми са се основавали на вериги от РНК, молекула, която може едновременно да съхранява генетична информация – като последователности на нуклеозидите A, C, G и U – и да действа като катализатори за химични реакции.

Откритието „отваря огромни и фундаментално нови пътища за преследване на ранната химическа еволюция“, казва Бил Мартин, който изучава молекулярната еволюция в университета „Хайнрих Хайне“ в Дюселдорф в Германия.

В свят на РНК, според стандартната теория, животът е можел да съществува като сложни прото-РНК вериги, които са били в състояние както да се копират, така и да се конкурират с други вериги. По-късно тези „РНК ензими“ биха могли да развият способността да изграждат протеини и в крайна сметка да прехвърлят своята генетична информация в по-стабилна ДНК. Как точно това може да се случи, беше открит въпрос, отчасти защото катализаторите, направени само от РНК, са много по-малко ефективни от протеиновите ензими, открити във всички живи клетки днес. “Макар че [RNA] са открити катализатори, каталитичната им сила е лоша“, казва Томас Карел, органичен химик от университета Лудвиг Максимилиан в Мюнхен в Германия.

РНК рибозома

Докато изследваха тази главоблъсканица, Карел и неговите сътрудници бяха вдъхновени от ролята, която РНК играе в това как всички съвременни организми изграждат протеини: верига от РНК, кодираща ген (обикновено копирана от последователност от ДНК бази), преминава през голяма молекулярна машина, наречена рибозома, която изгражда съответния протеин една аминокиселина в даден момент.

За разлика от повечето ензими, самата рибозома е изградена не само от протеини, но и от сегменти от РНК – и те имат важна роля в синтезирането на протеини. Освен това рибозомата съдържа модифицирани версии на стандартните РНК нуклеозиди A, C, G и U. Тези екзотични нуклеозиди отдавна се разглеждат като възможни остатъци от първичен бульон.

Екипът на Карел изгради синтетична РНК молекула, която включва два такива модифицирани нуклеозида чрез свързване на две части от РНК, често срещани в живите клетки. На първото от екзотичните места синтетичната молекула може да се свърже с аминокиселина, която след това се движи настрани, за да се свърже с втория екзотичен нуклеозид, съседен на нея. След това екипът раздели оригиналните си РНК вериги и внесе нова, носеща собствена аминокиселина. Това беше в правилната позиция, за да образува силна ковалентна връзка с аминокиселината, предварително прикрепена към втората верига. Процесът продължи стъпка по стъпка, отглеждайки къса верига от аминокиселини – мини-протеин, наречен пептид – който расте, прикрепен към РНК. Образуването на връзки между аминокиселините изисква енергия, която изследователите осигуряват чрез грундиране на аминокиселините с различни реагенти в разтвора.

“Това е много вълнуващо откритие,” казва Мартин, “не само защото начертава нов път към образуването на пептиди, базирани на РНК, но и защото разкрива ново еволюционно значение за естествено срещащите се модифицирани бази на РНК.” Резултатите сочат важна роля, която играе РНК в началото на живота, но без да се изисква само РНК да се самовъзпроизвежда, добавя Мартин.

Лорен Уилямс, биофизичен химик от Технологичния институт на Джорджия в Атланта, е съгласен. „Ако произходът на РНК и произходът на протеина са свързани и тяхната поява не е независима, тогава математиката се измества радикално в полза на РНК-протеинов свят и далеч от света на РНК“, казва той.

За да покажат, че това е правдоподобен произход на живота, учените трябва да извършат още няколко стъпки. Пептидите, които се образуват в РНК на екипа, са съставени от произволна последователност от аминокиселини, а не от такава, определена от информация, съхранявана в РНК. Карел казва, че по-големите РНК структури могат да имат участъци, които се сгъват във форми, които „разпознават“ специфични аминокиселини на специфични места, произвеждайки добре определена структура. И някои от тези сложни РНК-пептидни хибриди биха могли да имат каталитични свойства и да бъдат подложени на еволюционен натиск, за да станат по-ефективни. „Ако молекулата може да се репликира, имате нещо като мини организъм“, казва Карел.