Модель показывает, как древняя РНК могла обрести способность к самовоспроизведению, необходимую для жизни

Ученые давно размышляют о зарождении жизни на Земле. Согласно одной из теорий, РНК, которая присутствует во всех доменах жизни, играла центральную роль в ранней жизни. Подобно ДНК, РНК способна хранить генетическую информацию. Однако, чтобы запустить процессы жизни, ранняя РНК должна была также обладать способностью к самовоспроизведению и катализу биохимических реакций самостоятельно, без помощи специализированных ферментов.

В новом исследовании, опубликованном в eLife, физик Алексей Ткаченко и профессор Сергей Маслов описывают модель, демонстрирующую, как такая молекула могла обрести функциональность.

"РНК очень консервативна у всех организмов. Это как дымящийся пистолет, указывающий на центральную роль РНК в жизни", — объяснил Ткаченко. "Проблема в том, что современная РНК очень тонко настроена и сложна, поэтому мы хотели увидеть, как жизнь могла возникнуть из чего-то гораздо более простого".

Открытие рибозимов — молекул РНК, проявляющих ферментативные свойства, — указывает на возможный путь возникновения ранних функциональных полимеров. Ключевой вопрос: как эти древние молекулы РНК могли обладать способностью "разрезать" другие молекулы — важный шаг в процессе репликации ДНК и РНК.

"Эксперименты показали, что рибозим-эндонуклеаза, для работы которой требуется лишь несколько консервативных оснований, может возникать спонтанно, если экспериментатор искусственно отбирает объекты, которые что-то разрезают", — сказал Ткаченко. "Проблема в том, что неясно, как эволюция могла бы отбирать что-то, что режет, по сути отбирая разрушительный фермент".

Чтобы решить этот вопрос, исследователи создали модель, симулирующую простые молекулы РНК без ферментативной активности. В модели допускался случайный разрыв связей, имитирующий реальные химические процессы. Ученые обнаружили, что разрыв приводит к появлению большего числа копий разорванного полимера. Это означает, что молекулы, способные к самовоспроизведению, получили бы эволюционное преимущество.

Маслов проиллюстрировал эту концепцию аналогией с разрезанием дождевого червя пополам, где обе половинки регенерируют в целые организмы.

"В принципе, если вы хотите сделать много червей из одного, вы просто начнете резать их одного за другим", — объяснил Маслов. "Та же идея объясняет, почему разрезание было бы благоприятно для РНК, потому что, будучи разрезанной, она достраивает себя из отдельных строительных блоков. И в этом была связь, чтобы объяснить, почему первый рибозим был отобран для разрезания — потому что разрезание — это способ экспоненциального роста РНК".

Во второй модели исследователи показали, как молекулы РНК могли эволюционировать в сложные экосистемы с функциональными свойствами, где разные полимеры в этих экосистемах разрезают и реплицируют друг друга. Их модель симулировала пул полимерных цепей, конкурирующих за нуклеотидные "строительные блоки" и разрезающих другие полимеры, с которыми они сталкиваются. Цепи в симуляции образовывали матричную и комплементарную нити, по сути работая вместе.

"Правила спаривания — основа сохранения и передачи информации в будущем", — сказал Маслов. "И это также важно для функции, потому что это приводит к образованию шпилек в цепях, которые формируют трёхмерную структуру, а именно такие структуры способны к ферментативной активности".

Репликация полимеров в модели происходила на основе циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами (типично для циклов день-ночь), что предполагает, что древние полимеры могли полагаться на такие циклы для роста. Неорганические поверхности, такие как камни, также могли способствовать этому процессу.

Эти результаты дают убедительное представление о естественном возникновении и отборе рибозимов с ферментативной активностью, проливая свет на важный аспект ранней эволюции жизни. Исследователи выступают за экспериментальную проверку своих моделей.

Кроме того, они признают несоответствие между двунаправленным ростом в их модели и однонаправленным ростом, наблюдаемым при репликации ДНК и РНК в реальной жизни. Алексей говорит, что они планируют продолжить корректировку модели, чтобы найти варианты, которые приведут к однонаправленному росту.

"РНК внутри рибосом универсальна для каждого организма, от бактерий до архей и эукариот, таких как вы и я", — сказал Маслов. "Эта статья определенно не решает проблему происхождения жизни, но она заполняет крошечный пробел в нашем понимании того, как ранняя РНК могла функционировать, чтобы породить жизнь".