Forskare från University of Cambridge har fått nya bevis till förmån för RNA-världshypotesen. Det visade sig att små aminosyrakedjor, i kombination med RNA, förbättrar deras katalytiska egenskaper, vilket tillåter dem att bli mindre beroende av toxiska joner. Och detta är ett nödvändigt villkor för bildandet av de första cellerna. "Lenta.ru" berättar om det arbete som publicerats i tidskriften Nature.
Enligt hypotesen om RNA-världen uppstod liv från ett enkelt biologiskt system där det inte fanns några DNA- och proteinmolekyler. Det bestod av RNA-komplex som inte bara kunde lagra genetisk information utan också katalysera kemiska reaktioner (i detta fall kallades de ribozym). Med andra ord kombinerade de funktionerna hos DNA och enzymer. Därefter ledde kombinationen av RNA med peptider och deoxiribonukleinsyra till uppkomsten av enhjuliga organismer. Frågan uppstår emellertid: vad var fördelen med interaktionen mellan RNA-världen och proteiner?
Ribozymer, kallad RNA-polymeraser, tros ha utgjort huvuddelen av RNA-världen. De var replikatorer - föremål som kan självreplicera. Resurserna för detta var nukleotider i den primära buljongen. I början hade ribozymer svårt att kopiera sig själva eftersom deras katalytiska förmågor inte utvecklades. De gjorde misstag, vilket resulterade i ribozym med mutationer. Dessa förändringar skulle kunna beröva RNA-polymeras förmågan att katalysera, men i vissa fall förbättrades tvärtom denna kvalitet. Med tiden reproducerades ribozymer snabbare och mer exakt, blev fler och vann konkurrensen om resurser.
Således var ribozymer de primära genomerna, eftersom de lagrade genetisk information om sin egen sekvens. Senare inkapslades de i partiklar som bildades av lipidmembran, vilket ledde till bildandet av den första protocellen. Forskare kan syntetisera analoger av RNA-polymeras-ribozym som katalyserar syntesen av andra ribozymer, eller till och med kopierar korta ribonukleotidsekvenser. Det är emellertid fortfarande inte möjligt att erhålla en ribozymreplikator.
Ribosome Thermus thermophilus
Bild: Public Domain / Wikimedia
Det finns också ett annat problem. De ribozymer som syntetiseras i laboratorier är endast aktiva vid mycket höga koncentrationer av magnesiumjoner, vilket förstör lipidmembran. Detta betyder att det finns en grundläggande oförenlighet mellan ribonukleiska RNA-polymeraser och processerna för bildning av protoceller.
Kampanjvideo:
Situationen räddas av det faktum att RNA-molekylerna inte har isolerats från många andra kemiska föreningar, såsom peptider. Ribozymer kunde samarbeta med aminosyrasekvenser, vilket påverkade deras funktion. Detta stöds också av det faktum att aktiviteten hos ribozymer såsom spliceosomer (skär ut introner från mognande messenger-RNA), ribosomer (som deltar i proteinsyntes) och ribonukleas P (katalyserar RNA-nedbrytning) beror på relaterade proteiner. Forskning har visat att vissa proteiner som binder till ribozym orsakar förändringar i deras sekundära struktur och funktion. I fallet med ribonukleaser P kan proteiner sålunda reducera koncentrationen av magnesiumjoner som är nödvändiga för deras aktivitet. Med detta i åtanke beslutade forskarna att ta reda på om peptider kan påverka funktionen av RNA-polymeras-ribozym på liknande sätt, vilket minskar deras beroende av magnesium.
För att svara på denna fråga är det nödvändigt att inte välja några proteiner utan bara de som en gång interagerat med ribozym från RNA-världen. Forskare vände sig till strukturen hos ribosomer, som är ett slags molekylär relik. Forskningsresultat indikerar att ribosomer i deras moderna form redan fanns i LUCA - den gemensamma förfäder till alla moderna livsformer.
Strukturen för ribosomsubenheterna i Thermus thermophilus
Bild: Philipp Holliger / Cambridge
I ribosomstrukturen, bildad av proteiner, ribonukleinsyror och joner, registreras dess utveckling. Således berikas basen för den stora ribosomala underenheten med magnesiumjoner. Gradvis växte det med ytterligare moduler i vilka joner ersattes av peptider. Enligt forskare återspeglar förhållandet mellan ribozymer och aminosyrakedjor RNA-världens evolutionära historia och dess övergång till RNA-peptidvärlden. Därför analyserades effekten av peptider från ribosomer, som anses vara de äldsta proteinsekvenserna på jorden.
Forskarna identifierade flera peptider från båda ribosomala underenheterna av bakterien Thermus thermophilus, vilket förbättrade aktiviteten hos RNA-polymeras Z-ribozym, som replikerar RNA-molekyler.
Fluorescensmikroskopi av membranvesiklar
Bild: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Storbritannien
Den mest signifikanta effekten hade emellertid den homopolymera lysindekapeptiden (K10), en aminosyrasekvens av tio lysinmolekyler. Det stödde ribozymfunktioner vid låga koncentrationer av magnesiumjoner och bildade ett peptid-ribozymkomplex. Forskare har föreslagit att detta beror på stabiliseringen av mellanprodukter i den katalytiska cykeln.
För att testa om denna peptid kunde främja aktiviteten hos ribozymer i membranfacket genomförde forskarna ett experiment. Stabila vesiklar erhölls, bestående av fosfolipider och diacylglyceroler, inuti vilka RNA inkapslades. Vid en koncentration av magnesiumjoner på 10 millimol (säkert för membranet) och i närvaro av K10 observerades ribozym-katalyserad RNA-syntes. I frånvaro av magnesium inträffade emellertid syntesen inte.
Detta indikerar att peptiderna faktiskt tillät ribozym att utföra katalytisk aktivitet vid låga koncentrationer av toxiska joner. Som ett resultat minskade RNA-polymerasernas beroende av oorganiska molekyler, vilket underlättade deras utveckling och i slutändan cellernas utveckling.
Alexander Enikeev
