Ученые ответили на ключевой вопрос о происхождении жизни
Немецкие биологи экспериментально доказали, что молекулы транспортной РНК могли стать главным элементом в эволюции ранних форм жизни. При определенных условиях они способны собираться в функциональные единицы, воспроизводящие генетическую информацию в геометрической прогрессии. Результаты исследования опубликованы в журнале eLIfe.
Жизнь, как мы ее знаем, основана на сложной сети взаимодействий в биологических клетках, реализующих передачу генетической информации от нуклеиновых кислот к белкам. Этот процесс универсален для всех без исключения клеточных организмов, он лежит в основе биосинтеза макромолекул.
Передача генетической информации осуществляется последовательно: сначала от ДНК к РНК (этот процесс называется транскрипцией), а затем на матрице РНК реализуется синтез белка (трансляция). В операции, известной как репликация, белки дублируют генетическую информацию, закодированную в молекулах ДНК и хранящуюся в ядре клетки, распределяют ее поровну между двумя дочерними клетками во время деления, и процесс повторяется.
Парадокс центральной догмы молекулярной биологии заключается в том, что уже на первом этапе в качестве катализаторов транскрипции выступают сложные белковые соединения – ферменты: в определенном участке двойная спираль ДНК под действием ферментов раскручивается, и одна из цепочек становится матрицей для построения так называемой матричной, или информационной РНК (мРНК), которая потом участвует в трансляции.
То есть, и на молекулярном уровне встает извечный вопрос о происхождении жизни – что было первично – яйцо или курица: белки необходимы для передачи генетической информации, но сам их синтез зависит от транскрипции.
Биологи из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана впервые экспериментально доказали, что небольшие изменения в молекулах транспортной РНК (тРНК) позволяют им самостоятельно собираться в функциональную единицу, которая может воспроизводить информацию.
Таким образом, по мнению ученых, транспортная РНК, действующая как посредник между мРНК и белками, могла быть ключевым элементом в эволюции ранних форм жизни: молекулы тРНК могли автономно взаимодействовать между собой с образованием своего рода модуля репликации, способного экспоненциально реплицировать информацию.
«Наши исследования ранних форм молекулярной репликации и наше открытие связи между репликацией и трансляцией приближают нас к реконструкции происхождения жизни», – приводятся в пресс-релизе университета слова одного из авторов исследования Дитера Брауна (Dieter Braun).
Чтобы такая система заработала, нужна неравновесная среда для запуска соответствующих физических и химических процессов, считают ученые. Поэтому все их эксперименты включали повторяющуюся последовательность температурных колебаний.
Каждый эксперимент начинался с шаблона – информационной структуры, состоящей из двух типов центральных нуклеотидных последовательностей. Исследователи продемонстрировали, что при периодически меняющихся условиях шаблонная бинарная структура может многократно копироваться.
«Вполне вероятно, что такой механизм репликации имел место в гидротермальной микросистеме на ранней Земле», – говорит Браун.
В частности, по мнению авторов, благоприятная среда для таких реакционных циклов, могла сложиться в пористых породах на морском дне, где естественные колебания температуры связаны с конвекционными токами.
