Od wielu dziesięcioleci nad problemem pochodzenia życia pracują biolodzy, chemicy, a nawet matematycy. I chociaż istnieją już poparte naukowo i potwierdzone hipotezy ewolucji chemicznej przed pojawieniem się pierwszej komórki, prace w tym kierunku trwają. „Lenta.ru” opowiada o nowym badaniu dotyczącym problemu świata RNA, którego wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Naukowcy z Portland State University, prowadząc eksperymenty z rybozymami, odkryli, że zdolność tych cząsteczek do katalizowania własnego składania zależy od ich interakcji z innymi podobnymi cząsteczkami. Badanie pośrednio potwierdza hipotezę świata RNA, która głosi, że pierwszą cząsteczką organiczną, która stała się podstawą dla pierwszych komórek, był RNA. Te cząsteczki RNA były w stanie samoczynnie syntetyzować, konkurować ze sobą i uczestniczyć w ewolucji prebiotyków, kiedy to najbardziej udane związki stały się podstawą bardziej złożonych kompleksów chemicznych.
Wiele osób wie, że żywe komórki mają swoje własne specjalne katalizatory: enzymy, które są złożonymi cząsteczkami białek, które przeprowadzają istotne reakcje. Jednak enzymy mogą być nie tylko białkami, ale także łańcuchami RNA. Przypomnijmy, że RNA jest kwasem nukleinowym bardzo podobnym do DNA, ale różni się od niego tym, że zawiera cukier rybozy (nie dezoksyrybozę), a jedną z zasad azotowych, tyminę, zastępuje uracyl. Zdaniem naukowców RNA pojawiło się przed DNA, ponieważ jest znacznie bardziej labilne (jego struktura jest bardziej podatna na zmiany) i może przeprowadzać reakcje katalityczne bez pomocy białek. Cząsteczki RNA, które są enzymami, nazywane są rybozymami. Zazwyczaj rybozymy katalizują rozszczepienie siebie lub innych cząsteczek RNA.
Jednym z najlepiej zbadanych rybozymów jest Azo, enzym wytworzony przez naukowców z samonacinających się intronów grupy I znalezionych w DNA bakterii Azoarcus. Introny to regiony genów, które nie zawierają informacji o sekwencji białka lub kwasu nukleinowego i są wycinane podczas dojrzewania informacyjnego RNA (mRNA). Wszystkie introny grupy I katalizują swoje własne wycięcie z sekwencji RNA. Interesujący naukowców intron rybozym Azo znajduje się w genie kodującym transportowy RNA (tRNA), który przenosi aminokwas izoleucynę. Wewnątrz komórki Azo, podobnie jak inne rybozymy, przeprowadza własne wycięcie z tRNA, ale w warunkach laboratoryjnych był w stanie nauczyć się przeprowadzać odwrotny splicing: rybozym tnie w określonym miejscu substrat - krótką cząsteczkę RNA o określonej sekwencji nukleotydowej,których części pozostają dołączone do Azo.
Struktura rybozymu bakterii Azoarcus. Fragment IGS jest zaznaczony na czerwono
Zdjęcie: Jessica AM Yeates et al. Wydział Chemii Uniwersytetu Stanowego w Portland
Azo ma długość około 200 nukleotydów i może rozpadać się na dwa, trzy lub cztery fragmenty, które spontanicznie łączą się w temperaturze 42 stopni Celsjusza w obecności roztworu MgCl2. Proces samoorganizacji rozpoczyna się od interakcji między dwoma trypletami nukleotydów (tripletami) należącymi do różnych fragmentów RNA. Kiedy wiązania wodorowe powstają między trypletami zgodnie z zasadą komplementarności, części rybozymu zmieniają swoją strukturę przestrzenną i ponownie łączą się ze sobą. Naukowcy skupili się na reakcji samoorganizacji dwóch fragmentów, które wstępnie nazwano WXY i Z, gdzie W, X, Y i Z reprezentują oddzielne regiony rybozymu o długości około 50 nukleotydów (ryc. 1). Na miejscu W, na przednim końcu cząsteczki RNA, znajduje się jedna z trojaczków,który jest zaangażowany w inicjację samoorganizacji i nazywany jest „wewnętrzną sekwencją prowadzącą” (IGS). Na końcu WXY znajduje się triplet znaczników, który oddziałując z IGS tworzy silne wiązanie kowalencyjne z fragmentem Z.
Film promocyjny:
Naukowcy stworzyli różne warianty (genotypy) fragmentów WXY, zmieniając nukleotydy znajdujące się w środku IGS i triplety znaczników (odpowiednio nukleotydy M i N). Ponieważ cząsteczki RNA są zwykle tworzone tylko przez cztery typy nukleotydów, takich wariantów jest 16. Na przykład jeden z genotypów może być 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', a drugi 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Wszystkie te warianty cząsteczek mogą ze sobą konkurować, tworząc różne sieci metaboliczne, w których do odtworzenia całego rybozymu potrzebny jest wspólny zasób - cząsteczka Z.
Reakcja między różnymi fragmentami rybozymu azowego w celu utworzenia całej cząsteczki
Zdjęcie: Jessica AM Yeates et al. Wydział Chemii Uniwersytetu Stanowego w Portland.
W swoich eksperymentach naukowcy najpierw przetestowali zdolność każdego genotypu do samodzielnego składania się. Kiedy M i N tworzą pary Watsona-Cricka (czyli zgodnie z zasadą komplementarności A - U, C - G), szybkość samoorganizacji rybozymu staje się wyższa niż w przypadku innych typów par. Następnie naukowcy zasymulowali ciepłe środowisko „małego stawu”, w którym różne cząsteczki prebiotyków oddziałują ze sobą, aby uzyskać od siebie korzyści i przyspieszyć samoorganizację. Biochemicy śledzili zachowanie parowanych genotypów; w sumie naukowcy przebadali 120 par składających się z dwóch odmiennych wariantów WXY. Zmierzyli szybkość każdej reakcji, która miała miejsce między cząsteczkami dwóch genotypów WXY i fragmentami Z w oddzielnych probówkach przez 30 minut.
Interakcja między sekwencjami różnych fragmentów rybozymu za pomocą wiązań wodorowych
Zdjęcie: Jessica AM Yeates et al. Wydział Chemii Uniwersytetu Stanowego w Portland
Łącząc wyniki obu etapów eksperymentu i uzyskując współczynniki samoorganizacji w przypadku interakcji dwóch różnych genotypów, naukowcy przygotowali eksperyment ewolucyjny. Pary genotypów zmieszano w równych proporcjach, zaopatrzono w fragmenty Z i poddano reakcji ze sobą przez pięć minut. W tym czasie naukowcy pobrali 10 procent roztworu do nowej probówki, która zawierała więcej nieprzereagowanych WXY każdego genotypu i fragmentów Z. Naukowcy prześledzili proporcje każdego genotypu WXYZ podczas ośmiu takich transferów. Umożliwiło to oszacowanie chemicznego odpowiednika ewolucyjnego sukcesu rybozymów na przestrzeni pokoleń, który obserwowano jako „eksplozję” - czyli silny wzrost tempa samoorganizacji RNA. W eksperymencie ewolucyjnym biolodzy badali interakcję siedmiu par rybozymów.
Na podstawie wszystkich eksperymentów laboratoryjnych naukowcy stworzyli model matematyczny równań różniczkowych, które uwzględniają tempo samoorganizacji genotypów z obecnością innych genotypów lub bez nich. Model ten stał się podstawą nowej ewolucyjnej teorii gier, która definiuje kilka zachowań cząsteczek RNA. W jednym przypadku, zwanym „Dominacją”, jeden z genotypów jest zawsze bardziej powszechny niż drugi, podczas gdy jego tempo samoorganizacji zawsze przekracza prędkość konkurenta. W drugim przypadku - „Współpraca” - oba genotypy, które oddziałują ze sobą, czerpią korzyści z „współpracy”, a szybkość ich samoorganizacji przewyższa to, jakie miałyby niezależnie od siebie. „Scenariusz samolubny” - dokładne przeciwieństwo „współpracy” - oznacza, że każdy rybozym z osobna otrzymuje więcej niż podczas interakcji z kimś innym. I w końcuw „Kontr-dominacji” genotyp o niskim współczynniku samoorganizacji nagle zaczyna występować częściej niż jego konkurent.
Niniejsze badanie nie ma na celu bezpośredniego udowodnienia hipotezy o świecie RNA, ale stanowi kolejny element układanki naukowego zrozumienia ewolucji prebiotycznej. Po raz pierwszy wykazano, że właściwości enzymatyczne poszczególnych cząsteczek można poprawić w obecności innych cząsteczek różniących się tylko jednym lub dwoma nukleotydami. W gigantycznym roztworze, jakim były ziemskie oceany u zarania życia, cząsteczki te konkurowały ze sobą o substraty, współpracowały i intensyfikowały swoje działanie. Na tej podstawie można już założyć, dlaczego złożone związki organiczne starały się łączyć w układy będące prototypami pierwszych komórek.
Alexander Enikeev