РНК раскрывает скрытый потенциал: её роль в ранней жизни и будущей биоинженерии

Происхождение жизни на Земле остаётся предметом споров. Классическая центральная догма описывает поток информации от ДНК через РНК к белку. Однако белки нужны для синтеза ДНК, а ДНК — для синтеза белков. Это создаёт «проблему курицы и яйца».

Гипотеза «Мира РНК» предлагает решение: рибонуклеиновые кислоты (РНК) в форме рибозимов могли одновременно хранить генетическую информацию (как ДНК) и катализировать реакции (как белки). Для проверки этой идеи команда профессора Кодзи Тамуры из Токийского университета науки исследовала сборку функциональных рибозимов.

Эксперимент с искусственным рибозимом

Учёные использовали искусственный рибозим R3C лигазу, который катализирует образование 3',5'-фосфодиэфирной связи между двумя молекулами РНК. Его структуру модифицировали, добавив домены для взаимодействия с эффекторами.

• Влияние АТФ: При встраивании последовательности, связывающей аденозинтрифосфат (АТФ), активность лигазы стала зависеть от концентрации АТФ. Высокие концентрации повышали активность. Также росла температура плавления (значение T_m), что указывало на стабилизацию структуры рибозима.
• Влияние гистидина: При добавлении последовательности, связывающей L-гистидин, активность рибозима возрастала с увеличением концентрации этой аминокислоты.
• Специфичность: Повышение активности было специфичным только для АТФ или гистидина; другие нуклеозидтрифосфаты или аминокислоты не вызывали изменений.

Значение открытий

Результаты показывают, что АТФ (универсальный энергоноситель) и гистидин (частая аминокислота в активных центрах ферментов) действуют как эффекторные молекулы. Они вызывают аллостерические конформационные изменения в рибозиме, влияя на его стабильность и активность.

Это даёт новое понимание роли РНК в ранней эволюции, включая возможное происхождение генетического кода, и показывает, как мог происходить переход от «Мира РНК» к современному «Миру ДНК/белков».

Перспективы применения

Сконструированные рибозимы, подобные R3C, имеют большой потенциал для:

• Таргетной доставки лекарств и терапии
• Создания нанобиосенсоров
• Инженерии ферментов
• Синтеза новых ферментов для промышленности

Как заключает профессор Тамура, исследование проливает свет на процесс «аллостерического обретения функции и кооперативности» в эволюции РНК. Использованные принципы взаимодействия РНК-РНК, РНК-аминокислота и аллостерического регулирования могут направлять создание произвольных РНК-наноструктур для различных приложений.

Исследование опубликовано в журнале Life.