Как ученые пытаются создать жизнь додарвиновского мира

Как жизнь умудрилась собрать воедино мириады частей? Первым формам жизни на Земле как минимум был необходим способ хранить и воспроизводить информацию. Только после этого они могут делать копии самих себя и распространяться по миру. Возможно, химия играла куда более важную роль в возникновении жизни, чем думали ранее.

По одной из самых влиятельных гипотез, все началось с РНК, молекулы, которая может одновременно вести генетические записи и запускать химические реакции. Гипотеза «мира РНК» проявляется во многих формах, но по самой традиционной жизнь началась с образования молекулы РНК, способной самовоспроизводиться. Ее потомки развили способность выполнять множество задач, таких как создание новых соединений и хранение энергии. Со временем последовала и сложная жизнь.

Тем не менее ученые обнаружили, что самовоспроизводящуюся РНК на удивление сложно создать в лаборатории. У них кое-что получилось, но молекулы-кандидаты, изготовленные на сегодняшний день, могут воспроизводить лишь РНК определенной последовательности или длины. Кроме того, эти молекулы РНК сами по себе довольно сложные, что вызывает вопросы о том, как они могли образоваться по воле химического случая.

Ник Хад, химик Технологического института Джорджии, и его коллеги решили выйти за пределы биологии и изучают возможную роль химии в возникновении жизни. Возможно, до возникновения биологии существовала предварительная стадия прото-жизни, в которой лишь химические процессы создавали «шведский стол» РНК и РНК-подобных молекул. «Думаю, было довольно много шагов, которые вели к самореплицирующейся самоподдерживающейся системе», говорит Хад.

По этому сценарию, различные РНК-подобные молекулы могли образовываться спонтанно, помогая химическому бульону одновременно изобретать многие детали, необходимые для развития жизни. Формы прото-жизни экспериментировали с примитивной молекулярной инженерией, разбирая ее по частям. Вся система работала как гигантская толкучка. И только когда такая система устоялась, возникла самовоспроизводящаяся РНК.

В основе предложения Хада лежат химические способы создания такого богатого разнообразия прото-жизни. Компьютерное моделирование показывает, что определенные химические условия могут производить разнообразную коллекцию РНК-подобных молекул. В настоящее время команда испытывает эту идею с настоящими молекулами в лаборатории и надеется вскоре представить результаты.

Группа Хада прокладывает путь ряду исследователей, которые оспаривают традиционную гипотезу РНК-мира и ее зависимость от биологической, а не химической эволюции. В традиционной модели новая молекулярная инженерия создавалась с использованием биологических катализаторов — ферментов — как в случае с современными клетками. В стадии прото-жизни Хада, мириады РНК- или РНК-подобных молекул могли образовываться и изменяться с применением исключительно химических способов. «Химическая эволюция могла помочь жизни стартовать без ферментов», — говорит Хад.

Хад и его коллеги решили пойти дальше и допустить, что рибосома, единственная часть биологической инженерии, присутствующая у всех живых существ сегодня, вышла исключительно из одной только химии. Это необычный взгляд на вещи, поскольку многие считают, что рибосома была рождена биологией.

Если команда Хада сможет создать формы прото-жизни в условиях, которые могли существовать на ранней Земле, можно предположить, что химическая эволюция, возможно, сыграла гораздо более значительную роль в происхождении жизни, чем ожидали ученые. «Возможно, дарвиновской эволюции предшествовала более простая форма эволюции», — говорит Нильс Леман, биохимик Портлендского университета в штате Орегон.

Додарвиновский мир

Когда большинство думает об эволюции, на ум приходит дарвиновская эволюция, в которой организмы конкурируют друг с другом за ограниченные ресурсы и передают генетическую информацию своим потомкам. Каждое поколение претерпевает генетические исправления, и самое успешное потомство выживает, чтобы передать свои гены дальше. Этот режим эволюции преобладает у современной жизни.

Карл Вёзе, известный биолог, который дал нам современное древо жизни, считал, что дарвиновской эре предшествовала ранняя стадия жизни, управляемая совершенно другими эволюционными силами. Вёзе считал, что отдельной клетке было бы практически невозможно получить все, что ей нужно для жизни. Поэтому он представлял себе богатое разнообразие молекул, вовлеченных в коммунальное существование. Вместо того чтобы конкурировать друг с другом, примитивные клетки делились молекулярными инновациями. Такой вот додарвиновский бульон создал компоненты, необходимые для сложной жизни, проложив путь к великолепному зверинцу, который мы видим на Земле сегодня.

Модель Хада уводит видение додарвиновского времени Вёзе еще дальше назад во времени, обеспечивая примитивные клетки химическими средствами для создания молекулярного разнообразия. Одна форма прото-жизни могла разработать способ создания блоков, которые ей необходимы для создания самой себя, другая — найти способ добывать энергию. Эта модель отличается от традиционной гипотезы РНК-мира своей зависимостью от химической, а не биологической эволюции.

В мире РНК первые молекулы РНК воспроизводили себя, используя встроенный фермент рибозим, состоящий из РНК. В мире прото-жизни Хада эта задача выполнялась исключительно химическими методами. История начинается с химического супа РНК-подобных молекул. Большинство из них были короткими, поскольку короткие цепочки вероятнее всего будут формироваться спонтанно, но могли быть также и более длинные, сложные молекулы. Модель Хада описывает, как более длинные молекулы могли воспроизводиться без помощи фермента.

Хад считает, что в пребиотическим мире первичный РНК-бульон проходил через регулярные циклы нагрева и охлаждения и стал густым и вязким. Тепло разделило связанные пары РНК, и вязкий раствор некоторое время держал молекулы разделенными. Между тем, к каждой длинной цепи прикрепились небольшие сегменты РНК, всего несколько символов в длину. Эти небольшие сегменты постепенно сшивались вместе, формируя новую цепочку РНК, соответствующую оригинальной длинной цепи. Затем цикл начался снова.

Химические пути репликации РНК

Со временем, когда бульон разнообразных РНК-подобных молекул ширился и рос, некоторые из них заполучили простейшие функции вроде метаболизма. И точно так же чистые химические реакции могли произвести молекулярное разнообразие, чтобы создать додарвиновский рог изобилия прото-жизни по Вёзе.

Группе Хада удалось выполнить первые этапы процесса воспроизводства в лаборатории, хотя они пока не научились склеивать короткие сегменты, не прибегая к биологическим инструментам. Если они смогут преодолеть это препятствие, они создадут универсальный способ воспроизводства РНК.

Тем не менее некоторые ученые сомневаются, что химически опосредованное воспроизводство будет достаточно хорошим, чтобы воспроизвести додарвиновский мир, который описывает Хад. «Не знаю, верю ли я в это, — говорит Пол Хиггс, биофизик из Университета Макмастера в Гамильтоне, Онтарио, изучающий происхождение жизни. — Все должно происходить достаточно быстро и точно, чтобы создать последовательность». То есть этот процесс должен производить новые РНК быстрее, чем они разрушаются, и достаточно точно, чтобы создать приближенные копии шаблонных молекул.

Одних химических изменений недостаточно, чтобы вызвать появление жизни. Бульону прото-жизни все-таки нужен был какой-нибудь отбор, который проследит, что преуспевать и размножаться будут полезные молекулы. В своей модели группа Хада предполагает, что могли появиться и распространиться простейшие прото-ферменты, которые начали приносить пользу своим создателям и обществу в целом. К примеру, РНК-молекула, которая производила больше строительных блоков, приносила пользу себе и своим соседям, обеспечивая их дополнительным сырьем для воспроизводства. Компьютерное моделирование, которое провела группа Хада, показало, что такой тип молекул вполне мог пустить корни. Тот, кто обогащает бульон, весьма полезен.

Рибосомальные корни

Один из возможных проблесков додарвиновского мира можно увидеть в рибосоме, древней части молекулярного механизма, который лежит в основе нашего генетического кода. Это фермент, который переводит РНК, кодирующую генетическую информацию, в белки, которые осуществляют массу химических реакций в наших клетках.

Ядро рибосомы состоит из РНК. Это делает рибосому уникальной — подавляющее большинство ферментов в наших клетках состоит из белков. И рибосомное ядро, и генетический код являются общими для всех живых существ, что указывает на их существование в самом начале эволюции жизни, возможно, еще до того, как был преодолен дарвиновский порог.

Хад и его коллега Лорен Уильямс, тоже из Georgia Tech, указывают на рибосому как на поддержку их теории химически определенного мира. В статье, опубликованной в прошлом году, они сделали противоречивое заявление: ядро рибосомы было создано в процессе химической эволюции. И предположили также, что оно появилось еще до появления первой самовоспроизводящейся молекулы РНК. Возможно, рибосомное ядро было успешным экспериментом химической эволюции, считают они. И после того, как оно пустило корни в додарвиновском бульоне, преодолело дарвиновский порог и стало важной частью всей жизни.

Их аргумент опирается на относительную простоту рибосомного ядра, формально известного как пептидил-трансферазный центр (ПТЦ). Работа ПТЦ — собирать вместе аминокислоты, строительные блоки белков. В отличие от традиционных ферментов, которые ускоряют химические реакции, используя «хитроумные химические трюки», работает он как осушитель. Он уговаривает две аминокислоты скрепиться, просто удаляя молекулу воды. «Это такой бедный способ подтолкнуть реакцию, — говорит Леман. — Белковые ферменты обычно полагаются на более мощные химические стратегии».

Леман отмечает, что простота, вероятно, предшествовала мощи на самых ранних этапах жизни. «Когда задумываешься о происхождении жизни, сначала нужно думать о простой химии; любой процесс простейшей химии, вероятно, окажется древним, — говорит он. — Думаю, это более веский аргумент, чем факт ее принадлежности ко всей жизни».

Несмотря на веские доказательства, до сих пор трудно себе представить, как рибосомальное ядро могло быть создано в результате химической эволюции. Фермент, который делает больше себя — как репликатор РНК в гипотезе РНК-мира — автоматический создает замкнутую петлю, постоянно повышая собственную производительность. В противоположность этому, рибосомальное ядро не производит больше рибосомальных ядер. Оно производит случайные цепочки аминокислот. Пока неясно, как этот процесс должен стимулировать производство больше количества рибосом.

Хад и его коллеги предполагают, что РНК и белки развивались в тандеме, и тот, кто выяснил, как работать сообща, тот и выжил. Этой идее не хватает простоты РНК-мира, который постулирует наличие одной молекулы, способной одновременно кодировать информацию и катализировать химические реакции. Но Хад уверен в обратном: именно сложность добавляет элегантности возникновению жизни.

«Я думаю, всегда был излишний акцент на простоте, что один полимер лучше двух, — говорит он. — Возможно, проще получить конкретные реакции, если два полимера будут работать сообща. Возможно, полимерам было проще работать вместе с самого начала».

По материалам Quanta Magazine