I många decennier har biologer, kemister och till och med matematiker arbetat med problemet med livets ursprung. Och även om det redan finns vetenskapligt underbyggda och stöttade hypoteser om kemisk utveckling innan uppkomsten av den första cellen fortsätter arbetet i denna riktning. "Lenta.ru" berättar om en ny studie om problemet med RNA-världen, vars resultat publicerades i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences.
Forskare vid Portland State University, som genomförde experiment på ribozymer, fann att dessa molekylers förmåga att katalysera sin egen enhet beror på deras interaktion med andra liknande molekyler. Studien stöder indirekt hypotesen om RNA-världen, som säger att den första organiska molekylen som blev basen för de första cellerna var RNA. Dessa RNA-molekyler kunde självsyntetisera, konkurrera med varandra och delta i prebiotisk utveckling, när de mest framgångsrika föreningarna blev basen för mer komplexa kemiska komplex.
Många vet att levande celler har sina egna speciella katalysatorer: enzymer, som är komplexa vikta proteinmolekyler som utför vitala reaktioner. Men enzymer kan inte bara vara proteiner utan också RNA-kedjor. Kom ihåg att RNA är en nukleinsyra som mycket liknar DNA, men skiljer sig från den genom att den innehåller ribosesocker (inte deoxiribos), och en av kvävebaserna, tymin, ersätts av uracil. Enligt forskare uppträdde RNA före DNA, eftersom det är mycket mer labil (dess struktur är mer mottaglig för förändringar) och kan utföra katalytiska reaktioner utan hjälp av proteiner. RNA-molekyler som är enzymer kallas ribozymer. Typiskt katalyserar ribozymer klyvningen av sig själva eller andra RNA-molekyler.
En av de mest studerade ribozymerna är Azo, ett enzym tillverkat av forskare från självskärande grupp I-introner som finns i DNA från bakterien Azoarcus. Introner är regioner av gener som inte innehåller information om sekvensen för ett protein eller nukleinsyra, och skärs ut under messenger RNA (mRNA) mognad. Alla grupp I-introner katalyserar sin egen excision från RNA-sekvensen. Intron ribozym Azo av intresse för forskare är beläget i en gen som kodar ett transport-RNA (tRNA) som bär aminosyran isoleucin. Inuti cellen utför Azo, liksom andra ribozymer, sin egen excision från tRNA, men under laboratorieförhållanden kunde han lära sig att genomföra omvänd skarvning: ribozymet skär på en viss plats underlaget - en kort RNA-molekyl med en specifik nukleotidsekvens,av vilka bitar kvar på Azo.
Strukturen för ribozymet av bakterien Azoarcus. Fragment IGS är markerat med rött
Bild: Jessica AM Yeates et al. Institutionen för kemi, Portland State University
Azo är ungefär 200 nukleotider lång och kan brytas ned i två, tre eller fyra fragment som spontant samlas vid 42 grader Celsius i närvaro av en MgCl2-lösning. Självmonteringsprocessen börjar med interaktionen mellan två nukleotid-tripletter (tripletter) som tillhör olika RNA-fragment. När vätebindningar bildas mellan tripletterna enligt principen om komplementaritet, ändrar ribozymets delar sin rumsliga struktur och återförenas med varandra. Forskare fokuserade på självmonteringsreaktionen för två fragment, som i förväg benämndes WXY och Z, där W, X, Y och Z representerar separata regioner av ribozymet ungefär 50 nukleotider i längd (Fig. 1). På plats W, vid RNA-molekylens främre ände, är en av tripletterna belägna,vilket är involverat i initieringen av självmontering och kallas "intern styrsekvens" (IGS). I slutet av WXY finns det en tagg-triplett, som, i samverkan med IGS, bildar en stark kovalent bindning med Z-fragmentet.
Kampanjvideo:
Forskarna skapade olika varianter (genotyper) av WXY-fragment genom att ändra nukleotiderna belägna i mitten av IGS- och tag-tripletterna (nukleotiderna M respektive N). Eftersom RNA-molekyler vanligtvis bildas av endast fyra typer av nukleotider, finns det 16 sådana varianter. Till exempel kan en av genotyperna vara 5'-GGG-WXY-CAU-3 'och den andra 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Alla dessa varianter av molekyler kan konkurrera med varandra och bilda olika metaboliska nätverk, där en gemensam resurs - Z-molekylen - krävs för att återställa ett helt ribozym.
Reaktionen mellan olika fragment av Azo-ribozym och bildar en hel molekyl
Bild: Jessica AM Yeates et al. Institutionen för kemi, Portland State University.
I sina experiment testade forskarna först förmågan hos varje genotyp att självmontera separat. När M och N bildar Watson-Crick-par (det vill säga, enligt principen om komplementaritet, A - U, C - G), blir ribozymets självmonteringsgrad högre än för andra typer av par. Forskarna simulerade sedan en varm "liten damm" -miljö där olika prebiotiska molekyler interagerar med varandra för att få fördelar av varandra och påskynda självorganisationen. Biokemister har följt beteendet hos genotyper parade med varandra, totalt har forskare studerat 120 par, bestående av två olika WXY-varianter. De mätte hastigheten för varje reaktion som ägde rum mellan molekyler av de två WXY-genotyperna och Z-fragmenten i separata rör under 30 minuter.
Interaktion mellan sekvenser av olika ribozymfragment med vätebindningar
Bild: Jessica AM Yeates et al. Institutionen för kemi, Portland State University
Genom att kombinera resultaten från båda faserna i experimentet och ha erhållit självmonteringsgraden när två olika genotyper interagerar, inrättade forskarna ett evolutionärt experiment. Par av genotyper blandades i lika stora proportioner, försedda med Z-fragment och reagerade med varandra under fem minuter. Under denna tid provade forskarna 10 procent av lösningen i ett nytt provrör, som innehöll mer oreagerad WXY av varje genotyp och Z-fragment. Forskare spårade förhållandena för varje WXYZ-genotyp under åtta sådana överföringar. Detta gjorde det möjligt att uppskatta den kemiska ekvivalenten av ribozymers evolutionära framgång under generationer, som observerades som en "explosion" - det vill säga en stark ökning av självmontering av RNA. I ett evolutionärt experiment studerade biologer interaktionen mellan sju par ribozymer.
Baserat på alla laboratorieexperiment har forskare härlett en matematisk modell av differentiella ekvationer som tar hänsyn till graden av självmontering av genotyper med eller utan närvaron av andra genotyper. Denna modell blev grunden för en ny evolutionär spelteori, som definierar flera beteenden hos RNA-molekyler. I ett fall, kallad "Dominans", är en av genotyperna alltid vanligare än den andra, medan dess självmonteringsgrad alltid överskrider konkurrentens hastighet. I det andra fallet - "Samarbete" - får båda genotyper som interagerar med varandra fördelar av "samarbete", och hastigheten på deras självmontering överstiger den som de skulle ha separat från varandra. Det "själviska scenariot" - precis motsatsen till "samarbete" - betyder att varje ribozym individuellt får mer än när man interagerar med någon annan. Och slutligeni "Motdominans" börjar genotypen med låg självmonteringsfrekvens plötsligt att inträffa oftare än konkurrenten.
Denna studie syftar inte direkt till att bevisa RNA-världshypotesen, men den representerar en annan bit i pusslet om vetenskaplig förståelse av prebiotisk utveckling. Det visades för första gången att de enzymatiska egenskaperna hos enskilda molekyler kan förbättras i närvaro av andra molekyler som skiljer sig bara med en eller två nukleotider. I den gigantiska lösningen som var jordens hav vid livets gryning konkurrerade dessa molekyler med varandra om substrat, samarbetade och intensifierade deras handling. På grundval av detta kan det redan antas varför komplexa organiska föreningar försökte förenas till system som är prototyper av de första cellerna.
Alexander Enikeev
