Учёные нашли крошечную молекулу РНК способную копировать себя и приблизились к разгадке происхождения жизни
Биологи обнаружили чрезвычайно маленькую молекулу РНК, способную к саморепликации, а также её комплементарную цепь в условиях, имитирующих среду ранней Земли. В отличие от предыдущих экспериментов, исследователям удалось получить полностью синтезированную комплементарную цепь и полную копию рибозима в лабораторных условиях.
Полученные результаты усиливают гипотезу о том, что подобные молекулы могли стать основой для возникновения первых форм жизни на нашей планете.
То, как именно возникла жизнь на Земле, остаётся одной из крупнейших загадок современной науки. Одной из наиболее известных гипотез является гипотеза «мира РНК», согласно которой молекулы РНК могли самопроизвольно сформироваться в первичном «бульоне», а затем начать копироваться и эволюционировать, что в конечном итоге привело к появлению первых живых систем.
Согласно этой гипотезе, РНК могла стать исходным полимером, способным к саморепликации и самоорганизации. В ходе экспериментов учёные уже обнаруживали молекулы РНК, которые действуют как ферменты и называются рибозимами. Некоторые из них способны катализировать полимеризацию РНК.
Однако ранее обнаруженные цепи РНК были слишком длинными и сложными, чтобы полностью копировать себя самостоятельно. Они могли участвовать в частичной саморепликации, но не создавать полные копии собственных молекул, что снижало вероятность их участия в формировании первых биологических систем.
Репликация РНК представляет собой сложный процесс, включающий последовательность реакций и точных молекулярных взаимодействий. Слишком длинные цепи требуют крайне точного копирования, иначе они могут разрушаться или накапливать вредные мутации.
Поэтому считается, что короткие молекулы РНК имели больше шансов самопроизвольно появиться и начать копировать себя. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, учёные обнаружили небольшой рибозим-полимеразу, демонстрирующий признаки полноценной саморепликации.
«В этой области все исследователи более 30 лет работали с одной и той же линией рибозимов и считали, что найти новую будет чрезвычайно сложно, а для выполнения функции необходима длинная последовательность РНК», — рассказал ведущий автор исследования Эдоардо Джанни из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в Кембридже.
По словам учёного, обнаружение небольшой молекулы РНК значительно повышает вероятность того, что самореплицирующаяся РНК могла возникнуть самопроизвольно. Благодаря небольшому размеру молекула смогла полностью скопировать не только себя, но и свою матрицу, чего не удавалось достичь в предыдущих исследованиях, где копировались лишь отдельные фрагменты.
Учёные обнаружили минимальный рибозим способный к полной саморепликации
Чтобы получить рибозим-полимеразу, исследователи использовали криогенные реакционные ёмкости, содержащие почти миллиард случайных и чрезвычайно коротких последовательностей РНК. Учёные хотели выяснить, способны ли некоторые комбинации молекул самостоятельно копироваться и объединяться, формируя более сложные последовательности.
После нескольких циклов испытаний исследователи обнаружили наиболее эффективную молекулу среди протестированных вариантов. Ею оказался рибозим QT45.
В оптимальных условиях QT45 продемонстрировал высокую эффективность. Молекула оказалась способна копировать собственную цепь, а также другие матрицы РНК постепенно увеличивающейся сложности.
Особенно важным результатом стало то, что QT45 смог синтезировать и комплементарную цепь. Таким образом, молекула продемонстрировала способность не только участвовать в копировании отдельных фрагментов, но и создавать полноценные цепи, необходимые для потенциального цикла саморепликации.
Согласно результатам исследования, QT45 способен синтезировать комплементарную цепь из библиотеки случайных триплетов с точностью 94,1% для каждого нуклеотида. Кроме того, рибозим может создавать собственную копию из определённых субстратов.
При этом обе реакции в проведённых условиях имели выход около 0,2% за 72 дня. Это означает, что обнаруженная молекула пока копирует себя крайне медленно, однако сам факт полной саморепликации имеет важное значение для исследований происхождения жизни.
«Помимо научного значения, это открытие также влияет на оценки вероятности самопроизвольного возникновения жизни и на возможность того, что аналогичные процессы могут происходить на других планетах», — отметил исследователь.
Следующим этапом работы станет попытка увеличить скорость саморепликации рибозима и повысить эффективность процесса. Если учёным удастся существенно ускорить копирование QT45, это позволит лучше понять, могли ли подобные молекулы стать основой для первых самоподдерживающихся химических систем на древней Земле.
Исследование в журнале Science.