Молекулярные «окаменелости» и загадка происхождения жизни: пересмотр роли P-петель

Вопрос о том, как возникла жизнь, является центральным для эволюционной биохимии. Ученые исследуют молекулярные «окаменелости» — древние структуры, общие для всех живых организмов, — чтобы заглянуть в прошлое на миллиарды лет. Однако недавнее исследование ключевой молекулярной окаменелости, P-петли, показало, что ее интерпретация может быть сложнее, чем считалось.

Фосфор — ключевой элемент жизни

Фосфор — фундаментальный элемент биологии. Он входит в состав генетического материала, участвует в метаболических реакциях и регулирует работу ферментов. Его уникальные химические свойства делают фосфатные соединения незаменимыми. Ученые полагают, что способность связывать фосфат была одной из первых биологических функций, возникших на Земле, еще до появления последнего универсального общего предка (~4 млрд лет назад).

Загадка P-петли — повсеместной молекулярной окаменелости

Семейство фосфат-связывающих белков P-loop NTPases регулирует множество процессов, от межклеточной коммуникации до запасания энергии, и присутствует у всех известных организмов. Их общий структурный мотив — P-петля — образует «гнездо» из аминокислот, которое прочно связывает фосфат. У человека, по грубым оценкам, около 5000 копий P-петель.

Исследование 2012 года показало, что изолированная P-петля может связывать фосфат самостоятельно, без белкового каркаса. Это навело на мысль, что такие простые пептиды могли функционировать миллиарды лет назад и стать «семенами» для эволюции сложных фосфат-связывающих белков.

Новые данные бросают вызов устоявшимся взглядам

Вдохновленные гипотезой Маргарет Окли Дэйхофф (1966) о происхождении сложных белков из малых пептидов, исследователи проверили роль простых P-петель с помощью компьютерного моделирования.

• P-петли сравнили с контрольными пептидами, состоящими из тех же аминокислот, но в другой последовательности (не образующими гнезд).
• Результат: Оказалось, что и P-петли, и контрольные пептиды, будучи встроенными в белки, способны формировать нестабильные, временные гнезда.
• Вывод: Способность формировать гнездо не является уникальным свойством именно последовательности аминокислот P-петли. Это ставит под сомнение идею, что они сами по себе были теми первичными «семенами».

Окаменелость, стертая временем

Дальнейшие эксперименты показали, что в другой среде (например, в метаноле) P-петли в составе белков лучше формируют гнезда. Это подчеркивает критическую важность окружающей среды для структуры и функции пептидов.

Исследование пришло к выводу: хотя P-петль, несомненно, является молекулярной окаменелостью, ее изначальная форма и функция за миллиарды лет эволюции могли быть «размыты». Ученым, изучающим эволюцию белков и происхождение жизни, необходимо с осторожностью интерпретировать такие структуры, как археологи — физические окаменелости. Эти данные усложняют текущее понимание ранней эволюции белков и открывают путь к пересмотру некоторых аспектов истории жизни на Земле.