Учёные раскрыли, как первая жизнь на Земле могла самовоспроизводиться
Учёные создали новую систему генетической репликации, которая демонстрирует, как первая жизнь на Земле в форме РНК могла копировать саму себя. Исследователи из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC) заявляют, что новая РНК использует систему репликации, не встречающуюся в современной природе.
Согласно популярной теории, ранние формы жизни были основаны на цепях РНК — химического «кузена» ДНК. Как и ДНК, РНК может нести генетическую информацию с помощью кода из четырёх молекулярных «букв» (оснований), но также способна сворачиваться в трёхмерные структуры, формируя ферменты — рибозимы, которые могут катализировать химические реакции.
Если бы рибозим мог реплицировать свёрнутую РНК, он смог бы копировать сам себя и поддерживать простую живую систему.
Ранее учёные разрабатывали рибозимы, способные копировать прямые цепи РНК, но свёрнутая РНК блокировала этот процесс. Поскольку сами рибозимы являются свёрнутыми РНК, их собственная репликация была невозможна.
Теперь, в статье, опубликованной в журнале eLife, учёные разрешили этот парадокс, создав первый рибозим, способный реплицировать свёрнутые РНК, включая самого себя.
Обычно при копировании РНК фермент добавляет основания (C, G, A или U) по одному. Новый рибозим использует три соединённых вместе основания — «триплет» (например, GAU). Эти триплетные строительные блоки позволяют копировать свёрнутую РНК, так как они связываются с ней гораздо сильнее и заставляют её раскручиваться. Таким образом, рибозим может копировать свои собственные свёрнутые цепи РНК.
Учёные предполагают, что «первичный бульон» мог содержать смесь оснований разной длины — от одного до нескольких соединённых звеньев. Однако они обнаружили, что использование цепочек длиннее триплета снижает точность копирования РНК.
Доктор Филипп Холлигер, старший автор статьи: «Мы нашли решение парадокса репликации РНК, переосмыслив подход к проблеме — мы перестали пытаться имитировать существующую биологию и разработали совершенно новую синтетическую стратегию. Захватывающе, что наша РНК теперь может синтезировать сама себя.
Эти триплеты оснований, похоже, представляют собой оптимальный вариант, который позволяет эффективно раскрывать свёрнутые структуры РНК, сохраняя высокую точность. Примечательно, что хотя триплеты не используются в современной биологии для репликации, синтез белка рибосомой — древней РНК-машиной, считающейся реликтом ранней РНК-жизни — происходит с использованием триплетного кода».
Эксперименты проводились во льду при температуре -7°C, поскольку ранее было обнаружено, что замерзание концентрирует молекулы РНК в жидком рассоле в крошечных промежутках между кристаллами льда. Это также полезно для РНК-ферментов, которые более стабильны и лучше функционируют при низких температурах.
Доктор Холлигер добавил: «Это совершенно новая синтетическая биология, и многие аспекты системы нам ещё предстоит изучить. Мы надеемся, что в будущем это также найдёт биотехнологическое применение».
Доктор Натан Ричардсон, глава отдела молекулярной и клеточной медицины MRC: «Это действительно захватывающий пример фундаментальных исследований, которые раскрыли важные insights о том, как самые начала жизни могли возникнуть из "первичного бульона" около 3.7 миллиардов лет назад. Это не только увлекательная наука, но и понимание минимальных требований для репликации РНК может предложить новые стратегии для лечения болезней человека».