Despre originea vieții și ARN. Cum oamenii de știință caută confirmarea teoriei lumii ARN. Viața a început cu originea vieții rna teoriile moderne ale lumii rna
Versiunea curentă a paginii nu a fost încă verificată
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de către colaboratori cu experiență și poate diferi semnificativ de cea examinată la 15 iulie 2019; sunt necesare verificări.
Lumea ARN- o etapă ipotetică în apariția vieții pe Pământ, când atât funcția de stocare a informațiilor genetice, cât și cataliza reacțiilor chimice au fost realizate de ansambluri de molecule de acid ribonucleic. Ulterior, din asociațiile lor, a apărut viața modernă ADN-ARN-proteină, separată de o membrană Mediul extern... Ideea lumii ARN a fost exprimată pentru prima dată de Karl Woese în 1968, dezvoltată ulterior de Leslie Orgel și formulată în cele din urmă de Walter Gilbert în 1986.
În organismele vii, aproape toate procesele apar în principal din cauza enzimelor cu caracter proteic. Cu toate acestea, proteinele nu se pot autoreplica și sunt sintetizate în celulă. de novo pe baza informațiilor încorporate în ADN. Dar duplicarea ADN-ului are loc și datorită participării proteinelor și ARN-ului. Se formează un cerc vicios, datorită căruia, în cadrul teoriei generării spontane a vieții, a fost necesar să se recunoască nevoia nu numai pentru o sinteză abiogenă a ambelor clase de molecule, ci și pentru apariția spontană a unui complex sistemul de interconectare a acestora.
Astfel, ARN-ul ar putea exista complet autonom, catalizând reacții „metabolice”, de exemplu, sinteza de noi ribonucleotide și auto-reproducere, păstrând proprietăți catalitice de la „generație” la „generație”. Acumularea mutațiilor aleatorii a dus la apariția ARN-urilor care catalizează sinteza anumitor proteine, care sunt catalizatori mai eficienți și, prin urmare, aceste mutații au fost fixate în cursul selecției naturale. Pe de altă parte, au apărut depozite specializate de informații genetice - ADN -. ARN este păstrat între ei ca intermediar.
Urmele lumii ARN au rămas în celulele vii moderne, iar ARN este implicat în procesele critice ale vieții celulare:
În 2017, a fost arătată posibilitatea auto-asamblării uridinei din riboză, uracil și acid fosforic.
Capacitatea moleculelor de ARN de a evolua a fost demonstrată în mod clar într-o serie de experimente. Chiar înainte de descoperirea activității catalitice a ARN-ului, astfel de experimente au fost efectuate de Leslie Orgel și colegii din California. Au adăugat o otravă tubului cu ARN - bromură de etidiu, care inhibă sinteza ARN. La început, rata de sinteză a fost încetinită de otravă, dar după aproximativ nouă „generații de eprubete” de evoluție, o nouă rasă de ARN rezistent la otravă a fost dezvoltată prin selecție naturală. Prin dublarea succesivă a dozelor de otravă, s-a dezvoltat o rasă de ARN rezistentă la concentrații foarte mari ale acesteia. În total, 100 de generații de eprubete au fost înlocuite în experiment (și mult mai multe generații de ARN, deoarece generațiile au fost înlocuite în interiorul fiecărei eprubete). Deși în acest experiment ARN replicaza a fost adăugată la soluție de către experimentatorii înșiși, Orgel a descoperit că ARN este, de asemenea, capabil să se autocopie spontan, fără adăugarea unei enzime, deși mult mai lent.
Un experiment suplimentar a fost efectuat ulterior în laboratorul școlii germane din Manfred Eugen. El a descoperit generarea spontană spontană a unei molecule de ARN într-o eprubetă cu un substrat și ARN replicază. A fost creat prin creșterea treptată a evoluției.
După descoperirea activității catalitice a ARN-ului (ribozime), evoluția acestora într-un dispozitiv automat controlat de un computer a fost observată în experimentele lui Brian Pegel și Gerald Joyce de la Scripps Research Institute din California în 2008. Factorul care joacă rolul presiunii de selecție a fost substratul limitat, care a inclus oligonucleotide, pe care ribozima le-a recunoscut și atașat, și nucleotide pentru sinteza ARN și ADN. În timpul construcției copiilor, au apărut uneori defecte - mutații - care le afectează activitatea catalitică (pentru a accelera procesul, amestecul a fost mutat de mai multe ori folosind o reacție în lanț a polimerazei folosind polimeraze „inexacte”). Pe această bază, a avut loc selecția moleculelor: moleculele care copiază cel mai rapid au început să domine rapid în mediu. Apoi, 90% din amestec a fost îndepărtat și, în schimb, s-a adăugat un amestec proaspăt cu substrat și enzime și ciclul a fost repetat din nou. Timp de 3 zile, activitatea catalitică a moleculelor datorată doar 11 mutații a crescut de 90 de ori.
Aceste experimente demonstrează că primele molecule de ARN nu aveau nevoie să aibă proprietăți catalitice suficient de bune. S-au dezvoltat mai târziu în cursul evoluției sub influența selecției naturale.
În 2009, biochimiștii canadieni de la Universitatea din Montreal K. Bokov și S. Steinberg, după ce au studiat componenta principală a ribozomului bacteriei Escherichia coli, molecula 23S-rRNA, au arătat cum mecanismul sintezei proteinelor s-ar putea dezvolta din relativ mici și ribozime simple. Molecula a fost împărțită în 60 de blocuri structurale relativ independente, principalul fiind centrul catalitic (centrul peptidil-transferazei, PTC, centrul peptidil-transferazei), care este responsabil pentru transpeptidare (formarea legăturii peptidice). S-a arătat că toate aceste blocuri pot fi detașate secvențial de moleculă fără a distruge partea rămasă până când rămâne un singur centru de transpeptidare. În același timp, își păstrează capacitatea de a cataliza transpeptidarea. Dacă fiecare legătură dintre blocurile unei molecule este reprezentată sub forma unei săgeți direcționate de la blocul care nu se prăbușește la separare la blocul care se prăbușește, atunci astfel de săgeți nu formează un singur inel închis. Dacă direcția legăturilor ar fi aleatorie, probabilitatea acesteia ar fi mai mică de un miliard. În consecință, această natură a legăturilor reflectă secvența adăugării treptate a blocurilor în timpul evoluției moleculei, pe care cercetătorii au reușit să o reconstruiască în detaliu. Astfel, la originile vieții, ar putea sta o ribozimă relativ simplă - centrul PTC al moleculei 23S-rRNA, la care s-au adăugat apoi noi blocuri, îmbunătățind procesul de sinteză a proteinelor. PTC în sine constă din doi lobi simetrici, fiecare dintre care deține coada "CCA a unei molecule de ARNt. Se presupune că această structură a apărut ca urmare a duplicării (dublării) unui lob original. Prin metoda evoluției artificiale, funcțională S-au obținut ARN-uri (ribozime) care pot cataliza transpeptidarea. Structura acestor ribozime derivate artificial este foarte apropiată de structura protoribozomului, pe care autorii l-au „calculat”.
Există diferite ipoteze despre cum arătau sistemele de ARN auto-replicate. Cel mai adesea, se postulează că este nevoie de membrane de agregare a ARN sau de plasarea ARN pe suprafața mineralelor și în spațiul porilor rocilor neconsolidate. În anii 1990, A. B. Chetverin și colegii săi au demonstrat capacitatea ARN-ului de a forma colonii moleculare pe geluri și substraturi solide atunci când creează condiții pentru replicare. A existat un schimb liber de molecule, care ar putea schimba regiuni după coliziune, ceea ce a fost demonstrat experimental. Întregul set de colonii a evoluat rapid în această privință.
După debutul sintezei proteinelor, coloniile capabile să creeze enzime s-au dezvoltat mai cu succes. Coloniile au devenit și mai reușite, formând un mecanism mai fiabil pentru stocarea informațiilor în ADN și, în cele din urmă, separate de lumea exterioară printr-o membrană lipidică care previne dispersia moleculelor lor.
Modelele pre-biotice în care sunt create nucleotidele sunt incompatibile cu condițiile necesare pentru crearea de zaharuri (datorită concentrației ridicate de formaldehidă). Deci, acestea trebuie sintetizate în locuri diferite și apoi transferate într-un singur loc. Cu toate acestea, ele nu reacționează în apă. Reacțiile anhidre leagă cu ușurință purinele de zaharuri, dar doar 8% dintre ele leagă atomul de carbon corect de zahăr de atomul de azot corect de pe bază. Cu toate acestea, pirimidinele nu vor reacționa cu riboză, chiar și în condiții anhidre.
În plus, fosfații necesari pentru sinteză sunt extrem de rare în natură, deoarece precipită cu ușurință. Când se introduce fosfat, acesta din urmă trebuie să se lege rapid de gruparea hidroxil corectă a nucleotidei.
Pentru ca nucleotidele să formeze ARN, ele însele trebuie activate. Nucleotidele purinice activate formează toroane mici pe șablonul de ARN pirimidinic existent, dar acest proces nu merge invers, deoarece nucleotidele pirimidinice nu polimerizează la fel de ușor.
O altă ipoteză a sintezei ARN abiogenice, concepută pentru a rezolva problema unei probabilități scăzute estimate a sintezei ARN, este ipoteza lumii hidrocarburilor poliaromatice, propusă în 2004 și care sugerează sinteza moleculelor de ARN pe baza unui teanc de inele poliaromatice.
De fapt, ambele ipoteze ale „lumilor pre-ARN” nu resping ipoteza lumii ARN, ci o modifică, postulând sinteza inițială a replicării macromoleculelor ARN în compartimentele metabolice primare, sau pe suprafața asociaților, împingând „ARN-ul”. lume "la a doua etapă.
S. GRIGOROVICH, candidat la științe biologice.
În primele zorii istoriei sale, când omul a dobândit rațiunea și, odată cu aceasta, capacitatea de a gândi abstract, a devenit prizonierul unei nevoi irezistibile de a explica totul. De ce strălucesc soarele și luna? De ce curg râurile? Cum funcționează lumea? Desigur, una dintre cele mai importante a fost problema esenței celor vii. Diferența puternică dintre cei vii, în creștere, dintre morți, nemișcați, era prea evidentă pentru a fi ignorată.
Primul virus, descris de D. Ivanovsky în 1892, este virusul mozaicului tutunului. Datorită acestei descoperiri, a devenit clar că există creaturi vii mai primitive decât celula.
Microbiologul rus D.I. Ivanovsky (1864-1920), fondatorul virologiei.
În 1924 A.I. Oparin (1894-1980) a sugerat că în atmosfera tânărului Pământ, care consta din hidrogen, metan, amoniac, dioxid de carbonși vapori de apă, aminoacizii ar putea fi sintetizați, care apoi s-au combinat spontan în proteine.
Biologul american Oswald Avery a demonstrat în mod convingător în experimentele cu bacterii că acizii nucleici sunt responsabili de transmiterea proprietăților ereditare.
Structura comparativă a ARN și ADN.
Structura spațială bidimensională a unui ribozim al celui mai simplu organism Tetrahymena.
Reprezentarea schematică a ribozomului - mașina moleculară pentru sinteza proteinelor.
Diagrama procesului de evoluție in vitro (metoda selex).
Louis Pasteur (1822-1895) a fost primul care a descoperit că cristalele din aceeași substanță - acidul tartric - pot avea două configurații spațiale simetric oglindă.
La începutul anilor 1950, Stanley Miller de la Universitatea din Chicago (SUA) a realizat primul experiment care a simulat reacții chimice care ar putea apărea pe un pământ tânăr.
Moleculele chirale, cum ar fi aminoacizii, sunt simetric în oglindă, precum mâna stângă și dreapta. Termenul „chiralitate” în sine provine din cuvântul grecesc „chiros” - mână.
Teoria lumii ARN.
Știință și viață // Ilustrații
În fiecare etapă a istoriei, oamenii și-au oferit propria soluție la enigma apariției vieții pe planeta noastră. Anticii, care nu cunoșteau cuvântul „știință”, au găsit o explicație simplă și accesibilă pentru necunoscut: „Tot ce este în jur a fost creat odată de cineva”. Așa au apărut zeii.
De la nașterea civilizațiilor antice în Egipt, China, apoi în leagăn stiinta moderna- Grecia, până în Evul Mediu, principala metodă de înțelegere a lumii a fost observarea și opiniile „autorităților”. Observații constante au mărturisit fără echivoc că cei vii, în anumite condiții, ies din neînsuflețiți: țânțari și crocodili din noroiul mlaștinii, muște din alimente putrezite și șoareci din lenjerie murdară presărată cu grâu. Este important doar să respectați o anumită temperatură și umiditate.
„Oamenii de știință” europeni din Evul Mediu, bazându-se pe dogma religioasă despre crearea lumii și despre neînțelegerea intențiilor divine, au considerat posibilă argumentarea despre originea vieții doar în cadrul Bibliei și al scripturilor religioase. Esența a ceea ce a creat Dumnezeu este imposibil de înțeles, dar puteți „clarifica” doar folosind informații din texte sacre sau aflându-vă sub influența inspirației divine. În acea perioadă se considera o formă proastă de a testa ipotezele și orice încercare de a pune la îndoială părerea sfintei biserici era privită ca o chestiune care nu plăcea, erezia și sacrilegiul.
Cunoașterea vieții marca timpul. Realizările filozofilor au rămas culmea gândirii științifice timp de două mii de ani. Grecia antică... Cei mai semnificativi dintre aceștia au fost Platon (428/427 - 347 î.Hr.) și elevul său Aristotel (384 - 322 î.Hr.). Platon, printre altele, a propus ideea animării materiei inițial neînsuflețite datorită introducerii unui suflet nemuritor nemuritor - „psihic” în el. Așa a apărut teoria generării spontane a vieții din nevie.
Marele cuvânt „experiment” pentru știință a venit odată cu Renașterea. A durat două mii de ani pentru ca o persoană să îndrăznească să se îndoiască de imuabilitatea declarațiilor autoritare ale oamenilor de știință antici. Unul dintre primii temerari cunoscuți de noi a fost medicul italian Francisco Redi (1626-1698). A realizat un experiment extrem de simplu, dar eficient: a așezat o bucată de carne în mai multe vase, le-a acoperit pe unele cu o cârpă groasă, pe altele cu tifon și le-a lăsat pe altele deschise. Faptul că larvele zburătoare s-au dezvoltat numai în vase deschise (pe care muștele puteau ateriza), dar nu și în cele închise (la care exista încă acces la aer), a contrazis în mod ascuțit credințele susținătorilor lui Platon și Aristotel despre forța de viață de neînțeles plutind în aer și transformând materia neînsuflețită în vie.
Acest experiment și altele similare au marcat începutul unei perioade de lupte acerbe între două grupuri de oameni de știință: vitaliști și mecanicieni. Esența disputei a fost întrebarea: „Se poate explica funcționarea (și înfățișarea) celor vii legile fizice, sunt aplicabile și materiei neînsuflețite? "Vitaliștii au răspuns negativ." Celula este doar din celulă, toate ființele vii sunt doar din cei vii! "Această poziție, prezentată la mijlocul secolului al XIX-lea, a devenit steag al vitalismului.că nici astăzi, știind despre natura „neînsuflețită” a atomilor și moleculelor care alcătuiesc corpul nostru și sunt în general de acord cu punctul de vedere mecanicist, oamenii de știință nu au nicio confirmare experimentală a posibilității apariției vieții celulare din materie neînsuflețită. din „anorganice”, care sunt prezente în afara organismelor vii, „detalii”. Aceasta înseamnă că punctul final al acestei dispute de epocă nu a fost încă pus.
Deci, cum ar fi putut să apară viața pe Pământ? Împărtășind pozițiile mecanicienilor, este cel mai ușor, desigur, să ne imaginăm că viața ar fi trebuit să apară mai întâi într-o formă foarte simplă, primitivă. Dar, în ciuda simplității structurii, ar trebui să fie totuși Viața, adică ceva care are un set minim de proprietăți care diferențiază viața de non-viață.
Care sunt acestea, aceste proprietăți critice pentru viață? Ce distinge, de fapt, traiul de non-viu?
Inainte de sfârșitul XIX Timp de secole, oamenii de știință au fost convinși că toate ființele vii sunt construite din celule și aceasta este cea mai evidentă diferență față de materia non-vie. Acest lucru a fost luat în considerare înainte de descoperirea virusurilor, care, deși mai mici decât toate celulele cunoscute, pot infecta activ alte organisme, se pot înmulți în ele și pot produce descendenți cu aceleași (sau foarte similare) proprietăți biologice. Primul dintre virusurile detectate, virusul mozaicului tutunului, a fost descris de omul de știință rus Dmitry Ivanovsky (1864-1920) în 1892. De atunci, a devenit clar că creaturile mai primitive decât celulele pot pretinde și dreptul de a fi numite Viață.
Descoperirea virușilor și apoi a unor forme chiar mai primitive de viețuitoare - viroizi, a făcut posibilă în cele din urmă formularea setului minim de proprietăți necesare și suficiente pentru ca obiectul studiat să poată fi numit viu. În primul rând, el trebuie să fie capabil să-și reproducă propriul tip. Totuși, aceasta nu este singura condiție. Dacă o ipotetică substanță primordială a vieții (de exemplu, o celulă sau moleculă primitivă) ar putea produce doar copiile sale exacte, în cele din urmă nu ar putea supraviețui în condiții de schimbare. mediu inconjurator pe tânărul Pământ, formarea altor forme (evoluție) mai complexe ar deveni imposibilă. În consecință, presupusa noastră „substanță a vieții primitive” poate fi definită ca ceva care este aranjat cât mai simplu posibil, dar în același timp este capabil să-și schimbe și să-și transfere proprietățile descendenților.
V anul trecut tot mai mulți susținători găsesc această teorie a originii vieții, devenind dominantă în soluționarea acestei probleme. Esența sa este că fondatorii vieții nu au fost proteine, ci molecule de ARN. Formarea componentelor unităților monomerice de ARN - ciclurile de carbohidrați ale ribozei și bazelor heterociclice - așa cum s-a arătat deja, nu au prezentat dificultăți fundamentale. Este mult mai dificil să ne imaginăm procesul de formare a nucleozidelor din ele direct și apoi combinația acestora din urmă în NC. Într-adevăr, în condițiile unui proces homofazic într-un mediu gazos sau lichid, o astfel de sinteză s-ar putea dovedi extrem de dificilă. Cu toate acestea, este relativ ușor de realizat în condiții de cataliză heterofazică pe un substrat solid. Multe minerale acționează ca acestea din urmă. crustă: carbonat de calciu, caolinit, montmorillonit, compuși din aluminiu, zeoliți. Mai mult, ele contribuie nu numai la accelerarea sintezei, ci și la orientarea corectă a componentelor care reacționează. Pe astfel de substraturi, a fost efectuată mai întâi reticularea nucleozidelor și apoi formarea de legături internucleotidice cu participarea acidului fosforic sau a derivaților săi. De exemplu, a fost posibilă sintetizarea oligocitidinei, adică o moleculă scurtă de ARN constând dintr-un singur tip de nucleozide, pe un suport montmorillonit de citidină 5'-fosforimidazolidă. În mod similar, s-au obținut oligonucleotide mai complexe care conțin nucleozide. tipuri diferite... Interesant este că firul ARN a rămas stabil o perioadă foarte lungă de timp. În acest caz, oligonucleotidele lungi, aflate pe o matrice minerală, s-ar putea lega de di- și trinucleotide formând legături de hidrogen între bazele complementare. Legături internucleotidice s-ar putea forma și între aceste di- și trinucleotide. Acesta este modul în care ARN fiica a fost sintetizată pe șablonul ARN, adică un analog al transcrierii. O secvență similară de operații ar putea avea loc în cazul sintezei peptidice orientate pe matrice pe ARN: di- și trinucleotide individuale legate de molecule AA, de exemplu, prin interacțiuni hidrofobe sau legături de hidrogen și le-au transferat în matricea ARN. Di- și trinucleotidele au interacționat cu molecula de ARN prin legături de hidrogen. Ca rezultat, nucleotidele purtătoare de AA sunt aliniate în apropierea catenei de ARN. Dacă ar fi situate aproape una de alta, atunci a devenit posibil să se formeze legături peptidice între moleculele AA cu formarea unei polipeptide - o mică „proteină”. Astfel, reacția de traducere a fost realizată și fără participarea proteinelor enzimatice. Este deosebit de important să subliniem aici că toate aceste procese au fost realizate într-o manieră foarte specifică, deoarece chiar formarea legăturilor de hidrogen între diferite molecule este destul de selectivă: cele mai stabile sunt acele interacțiuni în care cel mai mare număr legături de hidrogen. În condiții de echilibru al proceselor, o astfel de selectivitate a dus la reproducerea anumitor molecule: fiecare matrice „a produs” produse inerente numai acesteia. O astfel de sinteză ar putea avea loc în picături primare de coacervare. Acest lucru a condus la acumularea unui set bine definit de biomolecule în fiecare dintre ele, cu toate acestea, varietatea picăturilor în sine și condițiile în care au existat au oferit oportunități excelente pentru selectarea celor mai stabile picături, care era deja protoevolutie. Picăturile, auto-reproducându-se prin diviziune, au crescut în dimensiune și au devenit din ce în ce mai complexe, implicând substanțe noi și noi. În acest fel, ar fi putut să apară prima celulă.
Există, totuși, incertitudine cu privire la faptul dacă ARN-ul a fost prima moleculă care formează viața sau dacă au existat mai mulți predecesori antici. Cu ceva timp în urmă, a fost sintetizată o substanță himeră numită acid peptidonucleic (PNA), în care scheletul lanțului a fost format din molecule de aminoacizi, N- (2-aminoetil) glicină, iar bazele heterociclice au fost atașate la acest schelet. Astfel, coloana vertebrală zahăr-fosfat a fost înlocuită de o coloană vertebrală polipeptidică. În prezent, unii cercetători consideră PNA un candidat pentru rolul unui posibil precursor al ARN, deși rolul prebiotic al PNA nu a fost încă dovedit riguros.
Printre conceptele moderne despre originea vieții, una dintre pozițiile dominante este ocupată de teoria lumii ARN. Să încercăm să ne dăm seama ce este.
Descoperirile din biologia moleculară din secolul trecut au condus omenirea la o înțelegere a structurii vieții la nivel chimic. S-a dovedit că baza activității vitale a oricărui organism este alcătuită din două grupuri de substanțe biopolimerice: proteine și acizi nucleici.
Proteinele, ale căror lanțuri lungi, inteligent pliate constau din zeci și sute de aminoacizi legați consecutiv, joacă rolul de instrumente de lucru în celulă și un sistem universal material de construcții... Proteinele-enzime accelerează și direcționează toate reacțiile chimice care au loc în celulă, formând aspectul acesteia.
Dar proteinele sunt instrumente temporare, a căror nevoie este în continuă schimbare în timpul vieții organismului. Pentru a stoca informații despre proteine și, prin urmare, despre structura organismului în sine, natura folosește acizi nucleici - ADN (acid dezoxiribonucleic) și ARN (acid ribonucleic). Aceste molecule lungi, construite din patru tipuri de nucleotide legate între ele, au o structură foarte asemănătoare, dar au proprietăți diferite. Două fire de ADN direcționate în direcții opuse formează o helică dublă rigidă și stabilă, cu o lungime de milioane de perechi de baze. ARN, pe de altă parte, formează lanțuri relativ scurte care sunt supuse la diferite reacții chimice și sunt împletite în bucle în jurul lor.
Structura moleculei ADN. Imagine: Richard Wheeler / Wikimedia
O structură atât de diferită a explicat oamenilor de știință funcțiile fundamental diferite ale ADN-ului și ARN-ului. ADN-ul s-a dovedit a fi un depozit fiabil și pe termen lung de informații despre proteinele corpului și ARN - un purtător mobil de informații de scurtă durată. Este sintetizat de proteine-polimeraze în conformitate cu matricea ADN și este responsabil pentru decodificarea informațiilor înregistrate în ADN, precum și pentru asamblarea proteinelor conform desenului ADN.
Toată această grămadă de cunoștințe a fost acumulată de oamenii de știință la mijlocul anilor 60 ai secolului trecut, devenind precursorul unei adevărate revoluții biotehnologice. Dar, în același timp, a pus un paradox pe oamenii de știință, care sunt chinuiți de problema originii vieții.
Pentru existența primului „viu”, adică capabil de reproducere și auto-întreținere a sistemelor biochimice, ADN, ARN și proteine sunt suficiente. Cu rolul ARN, totul pare a fi clar - o moleculă tipică care face comisioane, care nu știe cu adevărat cum să facă nimic și nu rezolvă, dar este necesară pentru transferul informațiilor din ADN și pentru funcționarea mecanismelor de asamblare a proteinelor. Dar proteinele și ADN-ul trebuiau să ocupe un loc central în imaginea lumii preistorice.
Informațiile despre structura catalizatorilor de proteine, care pot face totul în lume, pot fi stocate numai atunci când sunt înregistrate în structura ADN-ului. În același timp, ADN-ul stabil, care păstrează perfect informațiile, nu este capabil de transformări chimice independente, cu excepția, probabil, a decăderii lente. Ce a apărut mai devreme în evoluție - proteine abile, de scurtă durată sau ADN fiabil, dar neajutorat? Unul nu poate apărea în niciun fel fără celălalt, iar generarea accidentală a unui sistem complex de auto-reproducere ADN-ARN-proteină părea incredibilă.
Aici opiniile oamenilor de știință și s-au orientat către ARN. ARN-ul nu este stabil și stochează informații îngrozitor, dar le stochează totuși. Dar dacă presupunem că lanțurile de ARN împletite în bucle ornamentate pot funcționa ca niște proteine enzimatice, catalizând, adică accelerând reacțiile biochimice? Lasă-i să facă față acestei sarcini de sute de ori mai rău decât proteinele, dar ipotetic, astfel de catalizatori ARN ar putea exista stabil și se vor multiplica pe suprafața Pământului antic chiar înainte de apariția proteinelor și a ADN-ului. Și instabilitatea lor chimică ar fi chiar un plus, ducând la un ritm frenetic de evoluție a faunei ARN primitive.
Structura moleculei precursor ARN mesager. Imagine: Vossman / Wikimedia
Ipoteza îndrăzneață s-a dovedit a fi profetică, la începutul anilor '80 s-au găsit primele ribozime - biocatalizatori pe bază de ARN. Puțin mai târziu, oamenii de știință au primit aptameri - molecule de ARN capabile să lege selectiv anumite substanțe. S-a dovedit că ARN poate face atât biocataliză, cât și activități de recunoaștere moleculară. Da, o face mai rău decât proteinele, dar totuși reușește.
De atunci, oamenii de știință nu au abandonat încercările persistente de a obține în laborator o ribozimă capabilă să copieze în mod stabil (să reproducă) moleculele de ARN de orice structură. Apărând în zorii evoluției, o ribozimă similară ar deveni adevăratul „nucleu” al lumii ipotetice a ARN-ului, iar primirea acestuia ar fi o confirmare tangibilă a ipotezei încă speculative.
De-a lungul anilor de cercetare, s-au obținut ribozime-ligase care sunt capabile să unească molecule de ARN și chiar ribozime-polimeraze care copiază fragmente de ARN mici, omogene în compoziția lor nucleotidică. Dar, pe toate secvențele complexe capabile de biocataliză și recunoaștere moleculară, ele au derapat cu încăpățânare, refuzând să lucreze.
Și recent într-o revistă de renume PNAS a fost publicat un articol despre prepararea primei ribozime care copiază cu încredere șabloanele de ARN ale oricărei compoziții de nucleotide. Pe parcursul experimentelor, oamenii de știință și-au înlocuit evoluția: prin selecție artificială într-o eprubetă, au reușit să creeze un ribozim care copiază ARN cu o precizie inaccesibilă anterior.
Fiecare dintre cele 24 de runde de selecție a mutației a început prin copierea unei enzime existente într-un proces biochimic numit riboPCR. Această reacție este un analog al cunoscutei reacții în lanț a polimerazei (PCR), care permite sintetizarea a milioane de copii ale fragmentului de ADN dorit în câteva ore. Pentru ca sistemul să aibă material pentru selecție artificială, reacția a fost modificată în direcția reducerii preciziei de copiere. Rata de eroare a atins 10% în ceea ce privește o singură nucleotidă. Datorită acestei mutageneze planificate aleatorii, oamenii de știință au reușit să obțină 10 14 (100 trilioane!) diferite opțiuni ribozima originală. După finalizarea reacției, ribozimele mutante au fost selectate meticulos de către oamenii de știință: în următoarea rundă de mutații, au trecut doar cele mai rapide și mai precise ribozime, capabile de cea mai bună copiere a șablonului.
După finalizarea acestei lucrări minuțioase, cercetătorii au produs un ribozim numit 24-3 polimerază. Pentru prima dată, oamenii de știință au obținut un ribozim capabil să reproducă șuvițe mici de ARN din orice secvență. Cu ajutorul său, a fost posibilă reproducerea mai multor aptameri. Apoi ribozima ligază activă catalitic a fost copiată de polimerază neobosită. Dar adevărata realizare a fost că, cu ajutorul polimerazei 24-3, a fost posibilă reproducerea unuia dintre ARN-urile de transport. Aceste molecule de ARN mari, inteligent împletite într-o formă de trifoi, transportă legături de aminoacizi către locul de asamblare al lanțurilor proteice și sunt o componentă esențială a aparatului de sinteză a proteinelor.
Viteza de lucru a ribozimului obținut s-a dovedit a fi extrem de scăzută, iar productivitatea este incomparabilă cu proteinele-polimeraze naturale, dar principalul lucru este că a fost obținut și funcționează. Acum, pentru a dovedi posibilitatea existenței lumii antice a ARN-ului, oamenii de știință au ultimul pas - crearea unui ribozim care se poate replica în mod stabil. După ce a reușit, omenirea va primi într-o eprubetă o colonie de molecule de ARN auto-copiate - un analog potențial al primei forme de viață de pe planeta noastră.
Câteva luni de muncă au permis cercetătorilor să se apropie de crearea unui prototip artificial al vieții primitive. Ce s-ar fi putut întâmpla cu selecția naturală de-a lungul a sute de milioane de ani? Niciodată nu am fost atât de aproape de a răspunde la această întrebare.
