Какие белки были первыми? Эксперимент по реконструкции древних белков решает давнюю загадку

Ученые из Института науки Вейцмана и Еврейского университета в Иерусалиме реконструировали последовательности белков, которые могли напоминать предков современных белков, появившихся на Земле около 3.7 миллиарда лет назад. Их исследование, опубликованное в PNAS, предлагает возможный путь, по которым эти примитивные белки могли эволюционировать к образованию живых клеток.

Парадокс "курицы и яйца"

Современные белки состоят из 20 различных аминокислот, которые сами производятся другими белками-ферментами. Это создает классический вопрос о первичности. Считается, что первые белки возникли из более коротких пептидов, которые спонтанно собирались из аминокислот, образовавшихся в "первичном бульоне". Эксперимент Миллера-Юри в 1952 году показал возможность абиогенного синтеза аминокислот, но в нем отсутствовал один ключевой тип.

Недостающее звено: положительный заряд

В экспериментах по абиогенезу отсутствовали положительно заряженные аминокислоты, такие как аргинин и лизин, которые критически важны для взаимодействия с отрицательно заряженными ДНК и РНК. Однако в опытах Миллера-Юри присутствовала орнитин — аминокислота с положительным зарядом, которая сегодня является промежуточным продуктом в синтезе аргинина, но не используется для построения белков.

Экспериментальная проверка гипотезы

Исследователи:

  1. Взяли относительно простой современный белок, связывающийся с ДНК/РНК, и с помощью филогенетических методов вывели последовательность его предка.
  2. Создали синтетические белки, в которых положительно заряженные аргинин и лизин были заменены на орнитин.
  3. Обнаружили, что белки на основе орнитина связываются с ДНК, но слабо.

Ключевое превращение

В лабораторных условиях, имитирующих древнюю Землю, ученые показали, что простые химические реакции могут превращать орнитин в аргинин. По мере этого превращения белки все больше напоминали современные и начинали прочнее и избирательнее связываться с ДНК.

Шаг к протоклеткам

Важное открытие: в присутствии РНК древняя форма пептида вступала в фазовое разделение (как капли масла в воде). Этот процесс может вести к самоорганизации и "компартментализации". Это указывает, что такие белки вместе с РНК могли образовывать протоклетки, из которых впоследствии эволюционировали настоящие живые клетки.