Красивый старый мир РНК
Как химия стала жизнью? Новые данные подтверждают тезис о том, что РНК дает жизнь. Но критики не впечатлены.
В истории эволюции есть несколько проблем с курицей и яйцом. Одним из самых непроницаемых является вопрос «Что появилось раньше?» во времена, когда еще не было жизни на земле. Насколько нам известно, для жизни необходимы два компонента: белки, с одной стороны, и нуклеиновые кислоты, такие как ДНК, с другой. Белки необходимы в качестве ферментов для создания нуклеиновых кислот. Но для производства ферментов нужны соответствующие инструкции по сборке, которые могут предоставить только нуклеиновые кислоты.
В начале 1980-х накопилось множество публикаций, предлагающих решения этой дилеммы «пребиотической эволюции»: было показано, что у некоторых простейших РНК-структуры могут катализировать синтез других молекул РНК в дополнение к обычным ферментам. Основываясь на единственных известных в то время клеточных катализаторах, ферментах, эти структуры, состоящие из РНК, то есть из рибонуклеиновой кислоты, были названы рибозимами. В 1986 году биохимик и лауреат Нобелевской премии Уолтер Гилберт на основе собранных результатов дал молодой эволюционной гипотезе название: «Мир РНК». Ключевое сообщение: наиболее важным событием для возникновения жизни является образование самовоспроизводящейся молекулы. Молекула, которая может копировать и изменять себя независимо друг от друга, тем самым развивая все более совершенные и эффективные механизмы копирования. И лучшим кандидатом на роль этой молекулы является РНК.
Все это звучит очень логично для многих ученых, изучающих добиотическую эволюцию. Но этот тезис также подвергался нападкам по разным причинам. Среди прочего, потому, что во всем этом остался без ответа один большой вопрос: как РНК вообще смогла сформироваться? Поэтому центральной областью исследований является поиск химических доказательств того, что РНК действительно может образовываться «сама по себе».
Что было до РНК?
Даже если одноцепочечная РНК имеет более простую структуру, чем двухцепочечная ДНК, продемонстрировать, как именно этот полимер мог образоваться по частям из небольших соединений четыре миллиарда лет назад, - сложная задача. Тем не менее в 2009 году химики, работавшие с Джоном Сазерлендом, смогли произвести два из четырех основных строительных блоков РНК (или рибонуклеотидов) в лаборатории, используя удивительно простые исходные молекулы. Это соединения сахаров и оснований, в случае Сазерленда так называемые пиримидиновые основания урацил и цитозин. «Это была хорошая работа, но Сазерленда критиковали за то, что он позволил реакциям протекать поэтапно, как при обычном синтезе в химической лаборатории», - говорит Томас Карелл, химик из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. «В первичном растворе все компоненты реакции, вероятно, присутствовали бы одновременно."
Какими бы негостеприимными ни казались эти глубоководные горячие источники, некоторые ученые считают, что когда-то они создавали идеальные условия для формирования химии жизни.
Эта запись была сделана в кратере Колумбо в Эгейском море.
Только недавно он и его коллеги нашли способ производить два других строительных блока РНК, пуриновые основания аденозин и гуанин - впервые в "правдоподобных доисторических условиях": при температуре 100 градусов Цельсия, при исключении кислорода и в водных растворах аммиака или буры, к которым затем добавляют другие соединения.
Шаг назад
В другом исследовательском проекте мюнхенские исследователи случайно обнаружили, что молекула под названием формамидопиримидин (FaPy) может реагировать с образованием пуринов. Теперь они задались вопросом, могли ли формамидопиримидины образовываться в первобытных условиях. Все, что вам нужно, это три разных элемента: углерод, азот и водород. Одним из соединений, которое содержит все ингредиенты и которое, по мнению многих ученых, существовало на Земле четыре миллиарда лет назад, является цианистый водород или синильная кислота. Он реагирует с водой, образуя аминопиримидины, а те, в свою очередь, с помощью небольшого количества кислоты образуют соединение FaPy - круг замкнулся: пурины могут развиваться в простых заданных условиях.
В присутствии муравьиной кислоты или формамида (которые были обнаружены в рамках миссии «Розетта» на комете Чурюмова-Герасименко и, следовательно, также могли образоваться в первичной атмосфере земли) основания реагируют очень хорошо и с большими выходами с сахарами - и таким образом готовые рибонуклеотиды.
Карелл считает, что этот путь также можно использовать для получения двух пиримидинов, которые Сазерленд синтезировал по-своему в 2009 году. Публикация его команды была хорошо принята в профессиональном мире, но там, где есть похвала, есть и критика. Даже самому себе: «Одна фундаментальная вещь, о которой мы до сих пор не знаем, почему это так, - это хиральность», - говорит Томас Карелл. Существуют два варианта некоторых органических молекул, являющихся зеркальным отражением друг друга, - в случае нуклеиновых кислот, а также в случае белков один из них в конечном итоге преобладал, хотя оба образуются в реакциях. Просто нет удовлетворительного объяснения последовательного предпочтения одного из вариантов - гомохиральности. Однако, прежде всего, нет указаний на то, как цельные нити РНК должны были образоваться из отдельных строительных блоков. Но для Карелла это не непреодолимые препятствия. В конце концов, там будет найден понятный путь.
Информация против метаболизма
Не все разделяют его точку зрения. Биолог Билл Мартин, например, изучающий молекулярную эволюцию в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе, настроен скептически. По его мнению, химики изобретут подходящую пребиотическую среду, в которой будут производиться нужные молекулы: «Это захватывающие синтезы, но только потому, что вы можете сделать что-то в лаборатории, не означает, что так и должно было быть».
Мартин является представителем так называемой гипотезы «прежде всего обмен веществ». Если (наследуемая) информация ставится выше всего остального в мире РНК, метаболизм находится в начале жизни. Реакции малых молекул привели бы к образованию простых органических соединений, возможно, с помощью каталитических свойств минералов или пористых поверхностей горных пород. Эти соединения можно комбинировать различными способами, опять же простыми способами, с образованием аминокислот, липидов и азотистых оснований, которые затем могут служить катализаторами для образования более сложных молекул. Будет положено начало метаболизму.
Подтверждает этот сценарий то, что длинные сложные молекулы, такие как РНК, не должны образовываться спонтанно, как в гипотезе мира РНК. Кроме того, существуют относительно простые теории относительно того, как могла развиться гомохиральность, вызывающая такую головную боль у многих химиков. Отправной точкой такой теории является глицин - аминокислота, которая может спонтанно образовываться из небольших молекул, имеет простую структуру и не обладает хиральностью. Исходя из этого, дальнейшие простые аминокислоты могли образоваться с помощью каталитической помощи коротких пептидных цепей - можно предположить, что этот примитивный каталитический процесс случайно благоприятствовал левовращающим аминокислотам и, таким образом, также влиял на хиральный отбор нуклеиновых кислот, с которыми они затем взаимодействовали. Однако доказательств этому до сих пор нет.
Каждый по-своему интерпретирует условия в первобытные времена
Билл Мартин продвигает свои исследования еще на один шаг назад, до гипотетического мира РНК или первых метаболических путей: как углекислый газ связывался для образования молекул; какая среда им была нужна, чтобы продолжать реагировать, не исчерпав запасы для основных химических реакций? Мартин считает гидротермальные источники колыбелью таких разработок.
Какие предположения можно считать «правдоподобными» для условий на первобытной земле, является спорным. Иногда геологи критикуют модели, которые химики и биохимики используют в качестве основы для своих лабораторных экспериментов. Хотя они понятны с химической точки зрения, они не соответствуют выводам геологов. По словам таких геологов, как Фрэнсис Уэстол из Национального центра научных исследований (CNRS) в Орлеане, в то время, когда зародилась жизнь, Земля была полностью покрыта водой, на ней наблюдалась чрезвычайно активная вулканическая деятельность, и везде было около 80 градусов по Цельсию. Однако некоторые химики и биохимики работают при гораздо более низких температурах, иногда даже со льдом.
Другой аспект: в то время на Землю так часто падали метеориты, что Уэстолл и многие его коллеги твердо предполагали, что именно так на Землю попали сложные химические соединения. Они тоже могли сыграть значительную роль в пребиотической эволюции: «Большая часть первоначальных соединений могла попасть на землю именно таким путем», - говорит исследователь.
Ваш коллега Билл Мартин возражает, что количество таких внеземных молекул слишком мало по сравнению с огромной массой воды, чтобы играть существенную роль. Необходимые соединения должны быть высококонцентрированы для дальнейшего развития, и он считает, что гидротермальные жерла предлагают решение и здесь: смесь молекул может накапливаться в микрокомпартментах, подобных клеткам. Но то, что происходило в простых химических реакциях - на это у Мартина есть только теории.
Золотая середина
Решение спора о мире РНК и «прежде всего метаболизме» может лежать где-то посередине. Найлс Леман, биохимик из Портлендского государственного университета, сам исследует рибозимы и придерживается прагматичного взгляда на мир РНК: «Гипотеза - хороший инструмент для проведения исследований, но я думаю, что системы белков и нуклеиновых кислот параллельны друг другу, развитый. Мы пока не можем этого доказать."
Трудно найти доказательства событий, которые произошли более четырех миллиардов лет назад. В большинстве случаев исследователи могут только надеяться найти описание когерентного взаимодействия сил природы, в результате которого образуются решающие молекулы. Леман и его команда недавно прибегли к подходам теории игр. Для этого они заставили рибозимы конкурировать друг с другом и заметили, что они воспроизводятся по-разному в присутствии других в соответствии с принципом камень-ножницы-бумага. Такие эксперименты показывают, как даже очень маленькая сеть молекул РНК может выработать какой-то механизм отбора. Такие исследовательские подходы все еще находятся в зачаточном состоянии, но могли бы помочь представителям отдельных лагерей снять шоры. «В такого рода исследованиях мы склонны закреплять в камне то, что впервые узнали о происхождении жизни. Будь то мир РНК или «прежде всего метаболизм», первобытный бульон или гидротермальные источники - от этого трудно уйти», - говорит Билл Мартин. Возможно, пришло время для совершенно новой гипотезы.