Исследование показывает, как химические свойства РНК могли способствовать зарождению жизни

Как сложная жизнь могла развиться на негостеприимной ранней Земле? В начале должна была существовать рибонуклеиновая кислота (РНК), чтобы нести первую генетическую информацию. Для наращивания сложности своих последовательностей этим биомолекулам необходимо выделять воду. На ранней Земле, в основном покрытой морской водой, это было не так просто.

В статье, опубликованной в Journal of the American Chemical Society (JACS), исследователи из команды профессора LMU Дитера Брауна показали, что в борьбе РНК с окружающей водой решающими могли оказаться её естественные способности к рециклингу и правильные условия окружающей среды.

«Строительные блоки РНК выделяют одну молекулу воды на каждую связь, которую они образуют в растущей цепи РНК, — объясняет Браун. — Когда, наоборот, вода добавляется к молекуле РНК, строительные блоки РНК возвращаются в пребиотический пул».

Этот оборот воды работает особенно хорошо в условиях низкой солёности с высоким уровнем pH. «Наши эксперименты показывают, что жизнь могла возникнуть из очень небольшого набора молекул в условиях, подобных тем, что преобладали на вулканических островах ранней Земли», — говорит Адриана Серран, ведущий автор исследования.

В этих условиях РНК способна расщепляться без добавления молекулы воды. Конец цепи РНК остаётся свободным от воды и может спонтанно заново образовывать связи. Лаборатория Брауна продемонстрировала, что повторное связывание этой расщеплённой РНК работает эффективно и с замечательной точностью при копировании последовательности.

Этот процесс происходит только тогда, когда строительные блоки РНК связаны с молекулой РНК-матрицы с точно подходящими парами оснований в двухцепочечной конфигурации. Это создаёт копию существующей цепи РНК до того, как она распадётся при добавлении воды.

Ранее предполагалось, что РНК может копировать себя только путём «случайного» построения последовательностей длиной около 200 нуклеотидов — так называемых рибозимов. Однако рибозимы могут работать только в солёной и, следовательно, неблагоприятной для РНК среде.

В результате этого нового исследования эти сложные рибозимные последовательности на ранних стадиях эволюции РНК не являются необходимыми. «Точность сравнима с копированием РНК, достигаемым рибозимами, — говорит Шрикар Вуннава, также ведущий автор исследования. — Это означает, что мир РНК мог возникнуть без предварительной необходимости в длинных сложных последовательностях».

Таким образом, ранняя жизнь состояла из очень простого метаболического процесса, при котором последовательности РНК копировались путём непрерывной замены рециклированными молекулами. Для этого необходима лишь щелочная пресноводная среда, такая как существует сегодня на вулканических островах, например, Гавайского архипелага или Исландии.

«Итак, жизнь могла возникнуть из простой, холодной пребиотической первичной "похлёбки" из строительных блоков РНК», — объясняет Браун.

Хотя реакции в этих условиях протекают очень медленно и требуют для завершения несколько дней, в начале эволюции времени было достаточно, а холодные пресноводные убежища на первобытных вулканических островах позволяли РНК выживать на в остальном негостеприимной ранней Земле.