Исследователи нашли недостающий компонент для создания примитивных синтетических клеток

Команда учёных из Массачусетской больницы общего профиля (MGH), работающая над созданием «протоклеток» (примитивных синтетических клеток, состоящих из цепи нуклеиновой кислоты внутри мембранного компартмента), сделала важный шаг к своей цели. В выпуске Science от 28 ноября исследователи описывают решение потенциально критической проблемы — несовместимости между химическим требованием копирования РНК и стабильностью мембраны протоклетки.

Впервые удалось провести неферментативное копирование РНК внутри везикул из жирных кислот. Решена давняя проблема происхождения клеточной жизни: химия копирования РНК требует присутствия иона магния Mg²⁺, но высокие уровни Mg²⁺ могут разрушать простые мембраны из жирных кислот, которые, вероятно, окружали первые живые клетки.

Команда Джека Шостака более десяти лет работает над пониманием того, как первые клетки развились из «первичного бульона» химических веществ в живые организмы. Часть этой работы — создание модели протоклетки из компонентов, вероятно присутствовавших в примитивной земной среде. Значительный прогресс достигнут в создании клеточных мембран из жирных кислот, которые в воде естественным образом образуют везикулы. Однако генетический компонент — молекула РНК или ДНК, способная к репликации, — отсутствовал.

Поскольку в примитивной среде не было сложных ферментов, Шостак и ведущий автор Катажина Адамала исследовали, могут ли простые химические процессы управлять неферментативной репликацией РНК.

Чтобы решить проблему несовместимости между потребностью в Mg²⁺ для сборки молекулы РНК и способностью иона разрушать мембраны из жирных кислот, они протестировали несколько хелаторов — малых молекул, которые прочно связываются с ионами металлов, — на их способность защищать везикулы. Цитрат и несколько других хелаторов эффективно защищали мембраны от разрушения.

Для проверки, позволит ли присутствие хелаторов осуществить сборку РНК, катализируемую Mg²⁺, исследователи поместили в везикулы молекулы, состоящие из коротких праймерных цепей РНК, связанных с более длинными РНК-матрицами. Несвязанная одноцепочечная часть матрицы состояла из последовательности нуклеотидов цитозина (C). В присутствии Mg²⁺ и одного из четырёх хелатирующих молекул (включая цитрат) учёные добавили активированный гуанин (G) — нуклеотид, который спаривается с C.

Желаемая реакция — диффузия нуклеотидов G через мембрану везикулы для завершения двухцепочечной молекулы РНК — быстрее всего протекала в присутствии цитрата. Два других протестированных хелатора полностью предотвращали удлинение РНК-праймера.

Цитрат способен как защищать мембраны, так и позволять идти реакции копирования РНК, вероятно, потому что покрывает только одну сторону иона магния, защищая мембрану, но позволяя химии РНК работать. Также было обнаружено, что постоянное обновление раствора активированных нуклеотидов гуанина повышает эффективность репликации РНК.

Хотя цитрат подходит для создания искусственных клеток в лаборатории, он, вероятно, не присутствовал в достаточном количестве на ранней Земле. Показано, что существует по крайней мере один способ сделать химию репликации РНК совместимой с примитивными мембранами на основе жирных кислот. Текущее предположение — должны были существовать простые пептиды, действовавшие аналогично цитрату. Их поиск — следующая задача.

Исследование частично поддержано грантом NASA Exobiology NNX07AJ09G.