Первые этапы эволюции ДНК
Один из фундаментальных вопросов в области происхождения жизни — как первые молекулы ДНК реплицировались и эволюционировали на первобытной Земле более 4 миллиардов лет назад. До появления первых клеток ДНК и РНК, вероятно, находились в водных резервуарах или порах горных пород, заполненных водой и газом — в условиях, повсеместно распространённых на вулканической Земле. Высокая вулканическая активность и температура создали атмосферу, чрезвычайно богатую CO2. Концентрация углекислого газа была примерно в 25 000 раз выше, чем сегодня.
Именно эти условия воссоздаёт профессор Дитер Браун и его исследовательская группа на физическом факультете LMU в своих искусственных «тепловых ловушках», имитирующих миллиметровые поры горных пород, заполненные водой и газообразным CO2. Команда Брауна изучила репликацию и эволюцию коротких молекул ДНК в наиболее правдоподобных первобытных условиях.
Исследование показывает, как локальные перепады температуры могут вызывать циркуляцию воды внутри мелких пор породы. Испарение и конденсация воды создают мелкие капли росы, которые подкисляются в богатой CO2 атмосфере. Эти капли действуют как первые, безмембранные компартменты, которые содержат и концентрируют ДНК. Периодическая конденсация и испарение капель заставляют молекулы ДНК проходить через циклы смены нейтрального и кислого pH, высокой и низкой концентрации солей, а также влажного и сухого состояния.
Такие флуктуации сильно влияют на репликацию коротких цепочек ДНК. «Мы обнаружили, что капли кислой росы в первобытной атмосфере CO2 могут усиливать репликацию молекул ДНК», — говорит аспирант и первый автор исследования Алан Ианескелли. «Благодаря циклам соли, pH и влажности-сухости роса способствовала мутациям и рекомбинациям ДНК, создавая цепочки длиной до 20 раз больше исходных».
Во время циклов репликации в каплях росы изначально короткие молекулы ДНК сильно мутируют и постепенно удлиняются под действием особенностей миллиметровых водных циклов. Физические условия в росе также индуцируют процесс отбора цепочек ДНК, создавая молекулы, обогащённые определёнными последовательностями.
Эти результаты указывают на капли росы как на первые первобытные компартменты, способные обеспечить репликацию и эволюцию молекул ДНК. Лаборатория профессора Дитера Брауна планирует изучить влияние таких циклов росы на различные пребиотические химические реакции — от абиотического синтеза нуклеотидов до сборки крупных РНК-комплексов, способных к самовоспроизведению.