Cambridge'i ülikooli teadlased on saanud uusi tõendeid RNA maailma hüpoteesi toetuseks. Selgus, et RNA-ga kombineerituna parandavad väikesed aminohapete ahelad nende katalüütilisi omadusi, võimaldades neil vähem sõltuda toksilistest ioonidest. Ja see on esimeste rakkude moodustamiseks vajalik tingimus. "Lenta.ru" räägib ajakirjas Nature ilmunud teosest.
RNA-maailma hüpoteesi kohaselt tekkis elu lihtsast bioloogilisest süsteemist, milles puudusid DNA ja valgu molekulid. See koosnes RNA kompleksidest, mis on võimelised mitte ainult geneetilist teavet säilitama, vaid ka katalüüsima keemilisi reaktsioone (antud juhul nimetati neid ribosüümideks). Teisisõnu, nad ühendasid DNA ja ensüümide funktsioonid. Seejärel viis RNA kombineerimine peptiidide ja desoksüribonukleiinhappega üksrakuliste organismide teket. Siiski tekib küsimus: mis kasu oli RNA-maailma ja valkude vastastikmõjust?
Arvatakse, et ribosüümid, mida nimetatakse RNA polümeraasideks, moodustasid suurema osa RNA maailmas. Nad olid replikaatorid - objektid, mis on võimelised ise replitseeruma. Vahendid selleks olid esmases puljongis olevad nukleotiidid. Alguses oli ribosüümidel raske end ise kopeerida, kuna nende katalüütilisi võimeid ei arendatud. Nad tegid vigu, mille tulemuseks olid mutatsioonidega ribosüümid. Need muutused võivad võtta RNA polümeraasilt katalüsatsiooni võime, kuid mõnel juhul see kvaliteet, vastupidi, paranes. Aja jooksul reprodutseerisid ribosüümid kiiremini ja täpsemini, muutusid arvukamaks ja võitsid ressursside konkursi.
Seega olid ribosüümid esmased genoomid, kuna nad säilitasid geneetilist teavet omaenda järjestuse kohta. Hiljem kapseldati need lipiidmembraanide moodustatud osakestesse, mis viis esimese protoraku moodustumiseni. Teadlased on võimelised sünteesima RNA polümeraasi ribosüümi analooge, mis katalüüsivad teiste ribosüümide sünteesi või isegi kopeerida ribonukleotiidide lühikesi järjestusi. Kuid ribosüümi replikaatorit pole endiselt võimalik saada.
Ribosoom Thermus thermophilus
Pilt: üldkasutatav / Wikimedia
On ka teine probleem. Laborites sünteesitud ribosüümid on aktiivsed ainult magneesiumioonide väga suurtes kontsentratsioonides, mis hävitavad lipiidmembraane. See tähendab, et ribonukleaarsete RNA polümeraaside ja algrakkude moodustumise protsesside vahel on põhimõtteline kokkusobimatus.
Reklaamvideo:
Olukorra päästab asjaolu, et RNA molekule pole isoleeritud paljudest muudest keemilistest ühenditest, näiteks peptiididest. Ribosüümid võivad teha koostööd aminohapete järjestustega, mis mõjutas nende funktsiooni. Seda toetab ka asjaolu, et ribosüümide, näiteks splitsosoomide (intronite välja lõigamine Messenger RNA-st), ribosoomide (osalevad valkude sünteesis) ja ribonukleaasi P (RNA lagunemise katalüüsimise) aktiivsus sõltub seotud valkudest. Uuringud on näidanud, et teatud ribosüümidega seonduvad valgud põhjustavad muutusi nende sekundaarses struktuuris ja funktsioonis. Seega võivad ribonukleaaside P korral valgud vähendada nende aktiivsuseks vajalike magneesiumiioonide kontsentratsiooni. Seda silmas pidades otsustasid teadlased välja selgitada, kas peptiidid võivad mõjutada RNA polümeraasi ribosüümide funktsiooni sarnasel viisil, vähendades nende sõltuvust magneesiumist.
Sellele küsimusele vastamiseks on vaja valida mitte ühtegi valku, vaid ainult neid, mis kunagi suhtlesid RNA-maailma ribosüümidega. Teadlased pöördusid ribosoomide struktuuri poole, mis on omamoodi molekulaarne reliikvia. Uurimistulemused näitavad, et ribosoomid nende kaasaegsel kujul olid juba LUCA-s - kõigi tänapäevaste eluvormide ühine esivanem.
Thermus thermophilus ribosoomi alaühikute struktuur
Pilt: Philipp Holliger / Cambridge
Valkude, ribonukleiinhapete ja ioonide moodustatud ribosoomi struktuuris registreeritakse selle areng. Seega on suure ribosoomi alaühiku alus rikastatud magneesiumioonidega. Järk-järgult kasvas see täiendavate moodulitega, milles ioonid asendati peptiididega. Teadlaste sõnul peegeldab ribosüümide ja aminohapete ahelate suhe RNA-maailma evolutsiooniajalugu ja selle üleminekut RNA-peptiidide maailma. Seetõttu analüüsiti ribosoomide peptiidide mõju, mida peetakse Maa kõige iidsemateks valgujärjestusteks.
Teadlased leidsid bakteri Thermus thermophilus mõlemast ribosoomi alaühikust mitu peptiidi, mis suurendas RNA polümeraasi Z ribosüümi aktiivsust, mis replitseerib RNA molekule.
Membraanvesiikulite fluorestsentsmikroskoopia pilt
Pilt: MRC molekulaarbioloogia labor / Cambridge, Suurbritannia
Kõige olulisemat mõju avaldas aga homüpolümeerne lüsiini dekapeptiid (K10), mis oli kümne lüsiini molekuli aminohappeline järjestus. See toetas ribosüümi funktsioone magneesiumiioonide madalatel kontsentratsioonidel, moodustades peptiidi-ribosüümi kompleksi. Teadlased on väitnud, et selle põhjuseks on vaheühendite stabiliseerumine katalüütilises tsüklis.
Testimaks, kas see peptiid võib soodustada ribosüümide aktiivsust membraaniruumis, viisid teadlased läbi eksperimendi. Saadi stabiilsed vesiikulid, mis koosnesid fosfolipiididest ja diatsüülglütseroolidest, mille sees RNA kapseldati. Magneesiumiioonide kontsentratsioonil 10 millimooli (membraanile ohutu) ja K10 juuresolekul täheldati ribosüümi poolt katalüüsitud RNA sünteesi. Magneesiumi puudumisel sünteesi siiski ei toimunud.
See näitab, et peptiidid võimaldasid tõepoolest ribosüümidel katalüütilist aktiivsust toksiliste ioonide madala kontsentratsiooni korral. Selle tagajärjel vähenes RNA polümeraaside sõltuvus anorgaanilistest molekulidest, mis hõlbustas nende ja lõpuks rakkude evolutsiooni.
Aleksander Enikejev
