Жизнь построена из трех основных компонентов: РНК и ДНК – генетического кода, который, как руководители строительства, программируют, как запускать и воспроизводить клетки, – и белков, рабочих, выполняющих их инструкции. Скорее всего, в первых ячейках были все три штуки. Со временем они росли и воспроизводились, соревнуясь в игре Дарвина за создание разнообразия сегодняшней жизни: бактерий, грибов, волков, китов и людей.
Но сначала РНК, ДНК или белки должны были образоваться без их партнеров.
Одна распространенная теория, известная как гипотеза «мира РНК», предполагает, что, поскольку РНК, в отличие от ДНК, может самовоспроизводиться, эта молекула могла быть первой. Хотя недавние исследования показали, как нуклеотиды молекулы – A, C, G и U, составляющие ее основу, – могли образоваться из химических веществ, доступных на ранней Земле, некоторые ученые считают, что этот процесс, возможно, не был таким простым.
«Много лет назад наивная идея о том, что пулы чистых концентрированных рибонуклеотидов могут присутствовать на примитивной Земле, была высмеяна Лесли Оргелем как« мечта молекулярного биолога », – сказал Джек Шостак, лауреат Нобелевской премии, профессор химии и химической биологии и генетика в Гарвардском университете и исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза. «Но как относительно современная гомогенная РНК могла возникнуть из гетерогенной смеси различных исходных материалов, было неизвестно."
В статье, опубликованной в Журнале Американского химического общества, Шостак и его коллеги представляют новую модель того, как могла возникнуть РНК.
Вместо чистого пути он и его команда предлагают начало, подобное Франкенштейну, с РНК, вырастающей из смеси нуклеотидов с аналогичными химическими структурами: арабинодезокси- и рибонуклеотидов (ANA, ДНК и РНК).
В химическом плавильном котле Земли маловероятно, что идеальная версия РНК образовалась автоматически. Гораздо более вероятно, что многие версии нуклеотидов слились, чтобы сформировать лоскутные молекулы с кусочками как современной РНК, так и ДНК, а также с в значительной степени несуществующими генетическими молекулами, такими как ANA. Эти химеры, такие как чудовищные гибридные львы, орлы и змеи из греческой мифологии, возможно, были первыми шагами к сегодняшним РНК и ДНК.
«Современная биология полагается на относительно однородные строительные блоки для кодирования генетической информации», – сказал Сохён Ким, научный сотрудник по химии и первый автор статьи. Итак, если Шостак и Ким правы и сначала появились молекулы Франкенштейна, почему они эволюционировали в гомогенную РНК??
Ким проверил их: он противопоставил потенциальные первичные гибриды современной РНК, вручную копируя химеры, чтобы имитировать процесс репликации РНК. Он обнаружил, что чистая РНК просто лучше – более эффективна, точнее и быстрее – чем ее гетерогенные аналоги.
В другом удивительном открытии Ким обнаружил, что химерные олигонуклеотиды, такие как ANA и ДНК, могли помочь РНК развить способность копировать себя. «Интересно, – сказал он, – что некоторые из этих вариантных рибонуклеотидов, как было показано, совместимы с копированием матриц РНК или даже полезны для них."
Если бы более эффективная ранняя версия РНК воспроизводилась быстрее, чем ее гибридные аналоги, то со временем она вытеснила бы своих конкурентов. Это то, что, по предположениям команды Шостака, произошло в изначальном супе: гибриды превратились в современные РНК и ДНК, которые затем опередили своих предков и, в конце концов, заняли первое место.
«Никакого изначального пула чистых строительных блоков не требовалось», – сказал Шостак. "Внутренняя химия химии копирования РНК со временем приведет к синтезу все более однородных фрагментов РНК. Причина этого, как ясно показал Сохён, заключается в том, что, когда разные виды нуклеотидов конкурируют за копирование цепочки матрицы, всегда побеждают нуклеотиды РНК, и синтезируется именно РНК, а не какие-либо связанные виды нуклеиновых кислот."
Пока что команда проверила только часть возможных вариантов нуклеотидов, доступных на ранней Земле.
Итак, как и те первые кусочки беспорядочной РНК, их работа только началась.