Bioloogid, keemikud ja isegi matemaatikud on aastakümneid tegelenud elu päritolu probleemiga. Ja kuigi enne esimese raku ilmumist on juba olemas teaduslikult põhjendatud ja toetatud keemilise evolutsiooni hüpoteesid, jätkub töö selles suunas. "Lenta.ru" räägib uuest RNA-maailma probleemiga seotud uuringust, mille tulemused avaldati ajakirjas Proceedings of the National Academy of Sciences.
Portlandi osariigi ülikooli teadlased, tehes ribosüümidega katseid, leidsid, et nende molekulide võime katalüüsida omaenda koostist sõltub nende interaktsioonist teiste sarnaste molekulidega. Uuring toetab kaudselt RNA-maailma hüpoteesi, mille kohaselt esimene orgaaniline molekul, mis sai esimeste rakkude aluseks, oli RNA. Need RNA molekulid suutsid ise sünteesida, omavahel konkureerida ja osaleda prebiootilises evolutsioonis, kui kõige edukamad ühendid said keerukamate keemiliste komplekside aluseks.
Paljud inimesed teavad, et elavatel rakkudel on oma spetsiaalsed katalüsaatorid: ensüümid, mis on kompleksselt volditud proteiinimolekulid, mis viivad läbi elutähtsaid reaktsioone. Kuid ensüümid võivad olla mitte ainult valgud, vaid ka RNA ahelad. Tuletame meelde, et RNA on nukleiinhape, mis on väga sarnane DNA-ga, kuid erineb sellest selle poolest, et sisaldab suhkru riboosi (mitte desoksüribroosi) ja üks lämmastiku alustest, tümiin, asendatakse uratsiiliga. Teadlaste sõnul ilmus RNA enne DNA-d, kuna see on palju labiilsem (selle struktuur on muutustele vastuvõtlikum) ja suudab läbi viia katalüütilisi reaktsioone ilma valkude abita. RNA molekule, mis on ensüümid, nimetatakse ribosüümideks. Tavaliselt katalüüsivad ribosüümid iseenda või teiste RNA-molekulide lõhustumist.
Üks kõige paremini uuritud ribosüüme on Azo, ensüüm, mille teadlased on teinud ise lõikavatest I rühma intronitest, mis on leitud bakteri Azoarcus DNA-st. Intronid on geenide piirkonnad, mis ei sisalda teavet valgu või nukleiinhappe järjestuse kohta ja mis eraldatakse Messenger RNA (mRNA) küpsemise ajal. Kõik I rühma intronid katalüüsivad oma ekstsisiooni RNA järjestusest. Teadlastele huvipakkuv introni ribosüüm Azo asub geenis, mis kodeerib transport RNA-d (tRNA), mis kannab aminohapet isoleutsiini. Rakusiseselt teostab Azo, nagu ka teised ribosüümid, oma ekstsisiooni tRNA-st, kuid laboritingimustes suutis ta õppida tagurpidi splaissimist läbi viima: ribosüüm lõikab teatud kohas substraadi - lühikese RNA molekuli kindla nukleotiidijärjestusega,tükid, mis jäävad Azo külge.
Bakteri Azoarcus ribosüümi struktuur. Fragment IGS on märgitud punasega
Pilt: Jessica AM Yeates jt. Portlandi Riikliku Ülikooli keemiaosakond
Azo on umbes 200 nukleotiidi pikk ja võib laguneda kaheks, kolmeks või neljaks fragmendiks, mis MgCl2 lahuse juuresolekul 42 ° C juures spontaanselt kokku saavad. Iseseisev kokkupanemise protsess algab kahe nukleotiidide kolmiku (kolmikute) interaktsioonist, mis kuuluvad erinevatesse RNA fragmentidesse. Kui kolmikute vahel moodustuvad komplementaarsuse põhimõtte kohaselt vesiniksidemed, muudavad ribosüümi osad oma ruumilist struktuuri ja ühendavad üksteist. Teadlased keskendusid kahe fragmendi, mille esialgsed nimed olid WXY ja Z, isekoostuvusreaktsioonile, kus W, X, Y ja Z tähistavad ribosüümi eraldi piirkondi, mille pikkus on umbes 50 nukleotiidi (joonis 1). W-saidil, RNA-molekuli esiotsas, asub üks kolmikutest,mis on seotud isetegemise algatamisega ja mida nimetatakse "sisemiseks juhtjärjestuseks" (IGS). WXY lõpus on märgist kolmik, mis interakteerudes IGS-ga moodustab Z-fragmendiga tugeva kovalentse sideme.
Reklaamvideo:
Teadlased lõid WXY fragmentide erinevad variandid (genotüübid), muutes IGS-i keskel asuvaid nukleotiide ja märgise kolmikuid (vastavalt nukleotiidid M ja N). Kuna RNA molekule moodustavad tavaliselt ainult neli tüüpi nukleotiidid, on selliseid variante 16. Näiteks võib üks genotüüp olla 5'-GGG-WXY-CAU-3 'ja teine 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Kõik need molekulide variandid võivad omavahel konkureerida, moodustades erinevaid metaboolseid võrke, milles terve ribosüümi taastamiseks on vajalik ühine ressurss - Z-molekul.
Reaktsioon aso ribosüümi erinevate fragmentide vahel, moodustades terve molekuli
Pilt: Jessica AM Yeates jt. Portlandi Riikliku Ülikooli keemiaosakond.
Oma katsetes kontrollisid teadlased kõigepealt iga genotüübi võimet iseseisvalt ise kokku panna. Kui M ja N moodustavad Watsoni-Cricki paarid (see tähendab vastavalt komplementaarsuse põhimõttele A - U, C - G), muutub ribosüümi iseenesliku kokkupanemise määr kõrgemaks kui muud tüüpi paaridel. Seejärel simuleerisid teadlased sooja "väikese tiigi" keskkonda, kus erinevad prebiootilised molekulid interakteeruvad üksteisega, et saada üksteiselt kasu ja kiirendada iseorganiseerumist. Biokeemikud jälgisid omavahel paaris olevate genotüüpide käitumist, kokku uurisid teadlased 120 paari, mis koosnesid kahest erinevast WXY variandist. Nad mõõtsid iga WXY genotüübi molekulide ja Z fragmentide vahel 30 minutit kestnud reaktsioonide kiirust eraldi tuubides.
Erinevate ribosüümifragmentide järjestuste koostoime vesiniksidemeid kasutades
Pilt: Jessica AM Yeates jt. Portlandi Riikliku Ülikooli keemiaosakond
Kombineerides eksperimendi mõlema etapi tulemusi ja saades iseenesliku kogunemise määra, kui kaks erinevat genotüüpi interakteeruvad, lõid teadlased evolutsioonilise eksperimendi. Paar genotüüpi segati võrdsetes osades, varustati Z-fragmentidega ja reageeriti üksteisega viis minutit. Selle aja jooksul proovisid teadlased 10 protsenti lahusest uude katseklaasi, mis sisaldas rohkem iga genotüübi reageerimata WXY-d ja Z-fragmente. Teadlased jälgisid kaheksa sellise ülekande ajal iga WXYZ-i genotüübi suhet. See võimaldas hinnata ribosüümide evolutsioonilise edukuse keemilist ekvivalenti põlvkondade jooksul, mida täheldati "plahvatusena" - see tähendab RNA iseenesliku kogunemise määra tugevat suurenemist. Evolutsioonikatses uurisid bioloogid seitsme paari ribosüümide koostoimet.
Kõigi laboratoorsete katsete põhjal on teadlased tuvastanud diferentsiaalvõrrandite matemaatilise mudeli, mis võtab arvesse genotüüpide iseseadumise määra koos teiste genotüüpide olemasoluga või ilma. See mudel sai aluseks uuele evolutsioonilisele mänguteooriale, mis määratleb RNA molekulide mitu käitumist. Ühel juhul, mida nimetatakse "Domineerivuseks", on üks genotüüp alati tavalisem kui teine, samas kui selle isekomplektsiooni kiirus ületab alati konkurendi kiirust. Teisel juhul - "Koostöö" - saavad mõlemad "omavahel" suhtlevad genotüübid kasu "koostööst" ja nende ise kokkupanemise kiirus ületab selle, mis neil oleks üksteisest eraldi. „Isekas stsenaarium“- „koostöö“täielik vastand - tähendab, et iga ribosüüm saab individuaalselt rohkem kui kellegi teisega suheldes. Ja lõpuksfilmis "Vastu domineerimine" hakkab madala iseseadumismääraga genotüüp äkki ilmnema sagedamini kui tema konkurendil.
Selle uuringu eesmärk ei ole RNA-maailma hüpoteesi otsene tõestamine, kuid see esindab veel üht tükki prebiootilise evolutsiooni teadusliku mõistmise mõistatuses. Esmakordselt näidati, et üksikute molekulide ensümaatilisi omadusi saab parandada teiste molekulide juuresolekul, mis erinevad ainult ühe või kahe nukleotiidi võrra. Hiiglaslikus lahenduses, mis oli elu ookeanil Maa ookeanid, võistlesid need molekulid üksteisega substraatide pärast, tegid koostööd ja intensiivistasid oma tegevust. Selle põhjal võib juba eeldada, miks keerulised orgaanilised ühendid üritasid ühineda süsteemideks, mis on esimeste rakkude prototüübid.
Aleksander Enikejev
