Vědci z University of Cambridge obdrželi nové důkazy ve prospěch hypotézy RNA světa. Ukázalo se, že malé aminokyselinové řetězce, když jsou kombinovány s RNA, zlepšují své katalytické vlastnosti, což jim umožňuje, aby byly méně závislé na toxických iontech. A to je nezbytná podmínka pro vytvoření prvních buněk. "Lenta.ru" hovoří o práci publikované v časopise Nature.
Podle hypotézy světa RNA vznikl život z jednoduchého biologického systému, ve kterém nebyly molekuly DNA a bílkovin. Sestával z RNA komplexů schopných nejen uchovávat genetické informace, ale také katalyzovat chemické reakce (v tomto případě se nazývaly ribozymy). Jinými slovy, kombinovaly funkce DNA a enzymů. Pak kombinace RNA s peptidy a deoxyribonukleovou kyselinou vedla ke vzniku jednobuněčných organismů. Vyvstává však otázka: jaký byl přínos interakce mezi světem RNA a proteiny?
Předpokládá se, že ribozymy, nazývané RNA polymerázy, tvoří většinu světa RNA. Byli to replikátory - objekty schopné samoreplikace. Zdrojem pro to byly nukleotidy v primárním bujónu. Na začátku se ribozymy samy těžko kopírovaly, protože jejich katalytické schopnosti nebyly vyvinuty. Udělali chyby, což vedlo k ribozymům s mutacemi. Tyto změny by mohly připravit RNA polymerázu o schopnost katalyzovat, v některých případech se však tato kvalita naopak zlepšila. V průběhu času se ribozymy reprodukovaly rychleji a přesněji, staly se početnějšími a vyhrály soutěž o zdroje.
Ribozymy byly tedy primárními genomy, protože ukládaly genetické informace o své vlastní sekvenci. Později byly zapouzdřeny do částic tvořených lipidovými membránami, což vedlo k vytvoření prvního protocell. Vědci jsou schopni syntetizovat analogy RNA polymerázy ribozymu, které katalyzují syntézu dalších ribozymů, nebo dokonce kopírují krátké sekvence ribonukleotidů. Stále však není možné získat replikátor ribozymu.
Ribosome Thermus thermophilus
Obrázek: Public Domain / Wikimedia
Je tu také další problém. Ribozymy syntetizované v laboratořích jsou aktivní pouze ve velmi vysokých koncentracích iontů hořčíku, které ničí lipidové membrány. To znamená, že existuje zásadní nekompatibilita mezi ribonukleovými RNA polymerázami a procesy tvorby protocellů.
Propagační video:
Situace je zachována skutečností, že molekuly RNA nebyly izolovány z mnoha jiných chemických sloučenin, jako jsou peptidy. Ribozymy mohly spolupracovat s aminokyselinovými sekvencemi, které ovlivnily jejich funkci. To je také podporováno skutečností, že aktivita ribozymů, jako jsou spliceosomy (řezané introny zrající messengerové RNA), ribozomy (podílející se na syntéze proteinů) a ribonukleáza P (katalyzují degradaci RNA), závisí na příbuzných proteinech. Výzkum ukázal, že určité proteiny, které se vážou na ribozymy, způsobují změny v jejich sekundární struktuře a funkci. Takže v případě ribonukleáz P mohou proteiny snížit koncentraci iontů hořčíku nezbytnou pro jejich aktivitu. S ohledem na to se vědci rozhodli zjistit, zda peptidy mohou podobným způsobem ovlivnit funkci ribozymů RNA polymerázy, čímž se snižuje jejich závislost na hořčíku.
K zodpovězení této otázky je nutné zvolit ne žádné proteiny, ale pouze ty, které kdysi interagovaly s ribozymy světa RNA. Vědci se obrátili ke struktuře ribozomů, což je druh molekulární relikvie. Výsledky výzkumu ukazují, že ribozomy v jejich moderní podobě již byly přítomny v LUCA - společném předku všech moderních forem života.
Struktura ribozomových podjednotek Thermus thermophilus
Obrázek: Philipp Holliger / Cambridge
Ve struktuře ribozomu tvořeného proteiny, ribonukleovými kyselinami a ionty je zaznamenán jeho vývoj. Základ velké ribozomální podjednotky je tedy obohacen hořečnatými ionty. Postupně byl zarostlý dalšími moduly, ve kterých byly ionty nahrazeny peptidy. Podle vědců vztah mezi ribozymy a aminokyselinovými řetězci odráží vývojovou historii světa RNA a jeho přechod do světa RNA-peptidy. Proto byl analyzován účinek peptidů z ribosomů, které jsou považovány za nejstarší proteinové sekvence na Zemi.
Vědci identifikovali několik peptidů z obou ribozomálních podjednotek bakterie Thermus thermophilus, které zvýšily aktivitu RNA polymerázy Z ribozymu, která replikuje molekuly RNA.
Fluorescenční mikroskopický obraz membránových váčků
Obrázek: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / United Kingdom
Nejvýznamnější účinek však měl homopolymerní lysinový dekapeptid (K10), aminokyselinová sekvence deseti lysinových molekul. Podporoval funkce ribozymu při nízkých koncentracích hořečnatých iontů a tvořil komplex peptid-ribozym. Vědci navrhli, že je to způsobeno stabilizací meziproduktů v katalytickém cyklu.
Vědci provedli experiment, aby otestovali, zda tento peptid může podporovat aktivitu ribozymů v membránovém kompartmentu. Byly získány stabilní vezikuly, sestávající z fosfolipidů a diacylglycerolů, uvnitř kterých byla zapouzdřena RNA. Při koncentraci iontů hořčíku 10 milimolů (bezpečné pro membránu) a v přítomnosti K10 byla pozorována syntéza RNA katalyzovaná ribozymy. V nepřítomnosti hořčíku však nedošlo k syntéze.
To ukazuje, že peptidy skutečně umožňují ribozymům provádět katalytickou aktivitu při nízkých koncentracích toxických iontů. V důsledku toho se snížila závislost RNA polymeráz na anorganických molekulách, což usnadnilo jejich evoluci a nakonec i vývoj buněk.
Alexander Enikeev