Po mnoho desetiletí se biologové, chemici a dokonce i matematici zabývají problémem původu života. A ačkoli již existují vědecky podložené a podporované hypotézy chemického vývoje před objevením první buňky, práce v tomto směru pokračuje. "Lenta.ru" hovoří o nové studii o problému světa RNA, jejíž výsledky byly zveřejněny v časopise Sborník Národní akademie věd.
Vědci z Portland State University, kteří provádějí experimenty na ribozymech, zjistili, že schopnost těchto molekul katalyzovat vlastní sestavení závisí na jejich interakci s jinými podobnými molekulami. Studie nepřímo podporuje hypotézu světa RNA, která uvádí, že první organickou molekulou, která se stala základem pro první buňky, byla RNA. Tyto molekuly RNA byly schopny samy syntetizovat, vzájemně si konkurovat a účastnit se prebiotického vývoje, kdy se nejúspěšnější sloučeniny staly základem pro složitější chemické komplexy.
Mnoho lidí ví, že živé buňky mají své vlastní speciální katalyzátory: enzymy, což jsou složené proteinové molekuly, které provádějí životně důležité reakce. Enzymy však mohou být nejen proteiny, ale také řetězce RNA. Připomeňme si, že RNA je nukleová kyselina velmi podobná DNA, ale liší se od ní tím, že obsahuje ribózový cukr (nikoli deoxyribózu) a jedna z dusíkatých bází, thymin, je nahrazena uracilem. Podle vědců se RNA objevila před DNA, protože je mnohem labilnější (její struktura je náchylnější ke změnám) a může provádět katalytické reakce bez pomoci proteinů. Molekuly RNA, které jsou enzymy, se nazývají ribozymy. Ribozymy obvykle katalyzují štěpení sebe nebo jiných molekul RNA.
Jedním z nejlépe prozkoumaných ribozymů je Azo, enzym vyrobený vědci ze samořezných intronů skupiny I nalezených v DNA bakterie Azoarcus. Introny jsou oblasti genů, které neobsahují informace o sekvenci proteinu nebo nukleové kyseliny a jsou vyříznuty během maturace messenger RNA (mRNA). Všechny introny skupiny I katalyzují vlastní excizi ze sekvence RNA. Intronový ribozym Azo, který je předmětem zájmu vědců, je umístěn v genu, který kóduje transportní RNA (tRNA), která nese aminokyselinu isoleucin. Uvnitř buňky Azo, stejně jako jiné ribozymy, provádí svou vlastní excizi z tRNA, ale v laboratorních podmínkách se dokázal naučit provádět reverzní sestřih: ribozym štěpí na určitém místě substrát - krátkou molekulu RNA se specifickou nukleotidovou sekvencí,kusy z nich zůstávají připojeny k Azo.
Struktura ribozymu bakterie Azoarcus. Fragment IGS je označen červeně
Obrázek: Jessica AM Yeates et al. Katedra chemie, Portlandská státní univerzita
Azo má délku asi 200 nukleotidů a může se rozpadnout na dva, tři nebo čtyři fragmenty, které se spontánně spojí při 42 stupních Celsia v přítomnosti roztoku chloridu horečnatého. Proces samoskládání začíná interakcí mezi dvěma nukleotidovými triplety (triplety) patřícími k různým fragmentům RNA. Když se vytvoří vodíkové vazby mezi triplety podle principu komplementarity, části ribozymu změní svou prostorovou strukturu a znovu se spojí. Vědci se zaměřili na samočinnou reakci dvou fragmentů, které byly pokusně pojmenovány WXY a Z, kde W, X, Y a Z představují samostatné oblasti ribozymu dlouhé přibližně 50 nukleotidů (obr. 1). Na místě W je na předním konci molekuly RNA umístěna jedna z trojčat,který je zapojen do iniciace sebestavení a nazývá se „vnitřní vodicí sekvence“(IGS). Na konci WXY je tag triplet, který při interakci s IGS tvoří silnou kovalentní vazbu s fragmentem Z.
Propagační video:
Vědci vytvořili různé varianty (genotypy) fragmentů WXY změnou nukleotidů umístěných ve středu IGS a značkových tripletů (nukleotidů M a N). Protože molekuly RNA jsou obvykle tvořeny pouze čtyřmi typy nukleotidů, existuje takových variant 16. Například jeden z genotypů může být 5'-GGG-WXY-CAU-3 'a další 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Všechny tyto varianty molekul si mohou navzájem konkurovat a vytvářet různé metabolické sítě, ve kterých je společný zdroj - molekula Z - vyžadován k obnově celého ribozymu.
Reakce mezi různými fragmenty Azo ribozymu za vzniku celé molekuly
Obrázek: Jessica AM Yeates et al. Katedra chemie, Portlandská státní univerzita.
Ve svých experimentech vědci nejprve testovali schopnost každého genotypu samostatně se sestavit. Když M a N vytvoří páry Watson-Crick (tj. Podle principu komplementarity, A - U, C - G), pak se rychlost samovolného sestavení ribozymu zvýší než u jiných typů párů. Vědci pak simulovali teplé prostředí „malého rybníka“, ve kterém různé prebiotické molekuly vzájemně interagují, aby vzájemně získaly výhody a urychlily samoorganizaci. Biochemici sledovali chování genotypů spárovaných navzájem, celkem vědci studovali 120 párů, které se skládaly ze dvou odlišných variant WXY. Měřili rychlost každé reakce, která proběhla mezi molekulami dvou genotypů WXY a fragmenty Z uvnitř oddělených zkumavek po dobu 30 minut.
Interakce mezi sekvencemi různých fragmentů ribozymu pomocí vodíkových vazeb
Obrázek: Jessica AM Yeates et al. Katedra chemie, Portlandská státní univerzita
Kombinováním výsledků obou fází experimentu a získáním rychlostí sebestavení při interakci dvou různých genotypů vědci zahájili evoluční experiment. Dvojice genotypů byly smíchány ve stejných proporcích, opatřeny Z-fragmenty a reagovaly spolu navzájem po dobu pěti minut. Během této doby vědci odebrali 10 procent roztoku do nové zkumavky, která obsahovala více nezreagovaného WXY každého genotypu a Z-fragmentů. Během osmi takových přenosů vědci sledovali poměry každého genotypu WXYZ. To umožnilo odhadnout chemický ekvivalent evolučního úspěchu ribozymů v průběhu generací, což bylo pozorováno jako „exploze“- to znamená, že došlo k výraznému nárůstu rychlosti samoskládání RNA. V evolučním experimentu biologové studovali interakci sedmi párů ribozymů.
Na základě všech laboratorních experimentů vědci odvodili matematický model diferenciálních rovnic, který bere v úvahu rychlost sebepojetí genotypů s nebo bez přítomnosti dalších genotypů. Tento model se stal základem nové teorie evoluční hry, která definuje několik chování molekul RNA. V jednom případě, zvaném „dominance“, je jeden z genotypů vždy běžnější než druhý, zatímco jeho míra sebestavení vždy překračuje rychlost konkurenta. V druhém případě - „Spolupráce“- oba genotypy, které se vzájemně ovlivňují, získají výhody „spolupráce“a rychlost jejich sebestavení překračuje rychlost, kterou by od sebe měly odděleně. „Sobecký scénář“- přesný opak „Spolupráce“- znamená, že každý ribozym dostává individuálně více, než když komunikuje s někým jiným. A nakonecv "Counter-dominance", genotyp s nízkou mírou self-assembly se najednou objevuje častěji než jeho konkurent.
Tato studie není zaměřena na přímé prokázání hypotézy RNA světa, ale představuje další kousek v puzzle vědeckého porozumění prebiotické evoluce. Poprvé bylo ukázáno, že enzymatické vlastnosti jednotlivých molekul mohou být zlepšeny v přítomnosti dalších molekul, které se liší pouze jedním nebo dvěma nukleotidy. V gigantickém řešení, kterým byly oceány Země na úsvitu života, tyto molekuly spolu soupeřily o substráty, spolupracovaly a zintenzívnily svůj účinek. Na základě toho lze již předpokládat, proč se složité organické sloučeniny snažily spojit do systémů, které jsou prototypy prvních buněk.
Alexander Enikeev