Naukowcy z University of Cambridge otrzymali nowe dowody przemawiające za hipotezą dotyczącą świata RNA. Okazało się, że małe łańcuchy aminokwasów w połączeniu z RNA poprawiają ich właściwości katalityczne, dzięki czemu stają się mniej zależne od toksycznych jonów. Jest to warunek konieczny do powstania pierwszych komórek. „Lenta.ru” opowiada o pracy opublikowanej w czasopiśmie Nature.
Zgodnie z hipotezą świata RNA życie powstało z prostego systemu biologicznego, w którym nie było cząsteczek DNA i białek. Składał się z kompleksów RNA zdolnych nie tylko do przechowywania informacji genetycznej, ale także do katalizowania reakcji chemicznych (w tym przypadku nazywano je rybozymami). Innymi słowy, połączyli funkcje DNA i enzymów. Następnie połączenie RNA z peptydami i kwasem dezoksyrybonukleinowym doprowadziło do powstania organizmów jednokomórkowych. Powstaje jednak pytanie: jakie były korzyści z interakcji między światem RNA a białkami?
Uważa się, że rybozymy, zwane polimerazami RNA, stanowiły większość świata RNA. Byli replikatorami - obiektami zdolnymi do samoreplikacji. Źródłem do tego były nukleotydy w bulionie pierwotnym. Na początku rybozymy miały trudności z kopiowaniem się, ponieważ ich zdolności katalityczne nie były rozwinięte. Popełniali błędy, w wyniku których powstały rybozymy z mutacjami. Zmiany te mogą pozbawić polimerazę RNA zdolności katalizy, jednak w niektórych przypadkach wręcz przeciwnie, jakość ta uległa poprawie. Z biegiem czasu rybozymy rozmnażały się szybciej i dokładniej, stawały się liczniejsze i wygrywały rywalizację o zasoby.
Zatem rybozymy były głównymi genomami, ponieważ przechowywały informacje genetyczne o swojej własnej sekwencji. Później zostały zamknięte w cząsteczkach utworzonych przez błony lipidowe, co doprowadziło do powstania pierwszej protokomórki. Naukowcy są w stanie syntetyzować analogi rybozymu polimerazy RNA, które katalizują syntezę innych rybozymów, a nawet kopiować krótkie sekwencje rybonukleotydów. Jednak nadal nie jest możliwe uzyskanie replikatora rybozymu.
Ribosome Thermus thermophilus
Zdjęcie: domena publiczna / Wikimedia
Jest też inny problem. Rybozymy syntetyzowane w laboratoriach są aktywne tylko przy bardzo wysokich stężeniach jonów magnezu, które niszczą błony lipidowe. Oznacza to, że istnieje podstawowa niezgodność między rybonukleinowymi polimerazami RNA a procesami tworzenia protokomórek.
Film promocyjny:
Sytuacji ratuje fakt, że cząsteczki RNA nie zostały wyizolowane z wielu innych związków chemicznych, np. Peptydów. Rybozymy mogą współpracować z sekwencjami aminokwasów, co wpływa na ich funkcję. Potwierdza to również fakt, że aktywność rybozymów, takich jak spliceosomy (wycinanie intronów z dojrzewającego informacyjnego RNA), rybosomy (udział w syntezie białek) i rybonukleaza P (katalizująca degradację RNA) zależy od spokrewnionych białek. Badania wykazały, że niektóre białka, które wiążą się z rybozymami, powodują zmiany w ich drugorzędowej strukturze i funkcji. Zatem w przypadku rybonukleaz P białka mogą obniżać stężenie jonów magnezu niezbędnych do ich działania. Mając to na uwadze, naukowcy postanowili dowiedzieć się, czy peptydy mogą w podobny sposób wpływać na funkcję rybozymów polimerazy RNA, zmniejszając ich zależność od magnezu.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy wybrać nie jakieś białka, ale tylko te, które kiedyś wchodziły w interakcję z rybozymami świata RNA. Naukowcy zwrócili się ku budowie rybosomów, które są rodzajem reliktu molekularnego. Wyniki badań wskazują, że rybosomy w swojej nowoczesnej postaci były już obecne w LUCA - wspólnym przodku wszystkich współczesnych form życia.
Struktura podjednostek rybosomów Thermus thermophilus
Zdjęcie: Philipp Holliger / Cambridge
W strukturze rybosomu, utworzonej przez białka, kwasy rybonukleinowe i jony, odnotowuje się jego ewolucję. Tak więc podstawa dużej podjednostki rybosomalnej jest wzbogacona jonami magnezu. Stopniowo zarastał dodatkowymi modułami, w których jony zastępowano peptydami. Zdaniem naukowców związek między rybozymami a łańcuchami aminokwasów odzwierciedla ewolucyjną historię świata RNA i jego przejścia do świata RNA-peptydów. Dlatego przeanalizowano wpływ peptydów z rybosomów, które są uważane za najstarsze sekwencje białek na Ziemi.
Naukowcy zidentyfikowali wiele peptydów z obu podjednostek rybosomów bakterii Thermus thermophilus, które wzmacniały aktywność rybozymu polimerazy Z RNA, który replikuje cząsteczki RNA.
Obraz mikroskopowy fluorescencyjny pęcherzyków błonowych
Zdjęcie: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Wielka Brytania
Jednak najbardziej znaczący efekt miał homopolimeryczny dekapeptyd lizyny (K10), sekwencja aminokwasów dziesięciu cząsteczek lizyny. Wspierał funkcje rybozymu przy niskich stężeniach jonów magnezu, tworząc kompleks peptydowo-rybozymowy. Naukowcy zasugerowali, że jest to spowodowane stabilizacją półproduktów w cyklu katalitycznym.
Aby sprawdzić, czy peptyd ten może promować aktywność rybozymów w przedziale błony, naukowcy przeprowadzili eksperyment. Uzyskano stabilne pęcherzyki, składające się z fosfolipidów i diacylogliceroli, wewnątrz których zamknięto RNA. Przy stężeniu jonów magnezu 10 milimoli (bezpiecznych dla błony) oraz w obecności K10 obserwowano syntezę RNA katalizowaną rybozymem. Przy braku magnezu synteza nie zachodziła.
Wskazuje to, że peptydy rzeczywiście pozwoliły rybozymom na działanie katalityczne przy niskich stężeniach toksycznych jonów. W rezultacie zmniejszyła się zależność polimeraz RNA od cząsteczek nieorganicznych, co sprzyjało ich ewolucji, a ostatecznie ewolucji komórek.
Alexander Enikeev
