Проблема курицы и яйца: тРНК — ключевые элементы в эволюции ранних форм жизни
Исследователи из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) показали, что небольшие изменения в молекулах транспортной РНК (тРНК) позволяют им самоорганизовываться в функциональный модуль, способный к экспоненциальной репликации информации. тРНК — ключевые элементы в эволюции ранних форм жизни.
В современных клетках фундаментальный процесс репликации ДНК и трансляции мРНК в белки представляет собой сложное взаимодействие. Это создаёт классическую проблему «курицы и яйца»: белки необходимы для транскрипции генетической информации, но их собственная синтез зависит от транскрипции.
Физики под руководством профессора Дитера Брауна продемонстрировали возможное решение этой дилеммы. Они показали, что небольшие модификации в структурах современных молекул тРНК позволяют им автономно взаимодействовать, образуя своего рода модуль репликации, способный к экспоненциальному копированию информации.
Это означает, что тРНК — ключевые посредники между транскрипцией и трансляцией в современных клетках — могли быть также решающим связующим звеном между репликацией и трансляцией в самых ранних живых системах.
Экспериментальное подтверждение
В экспериментах использовался набор взаимодополняющих цепей ДНК, смоделированных по характерной форме современных тРНК. Каждая цепь состояла из двух «шпилек», разделённых информационной последовательностью в середине. Восемь таких цепей могли взаимодействовать через комплементарное спаривание оснований, образуя комплекс, способный кодировать 4-разрядный двоичный код.
Процесс начинался с шаблона — информационной структуры из двух типов центральных последовательностей, определяющих двоичную последовательность. Эта последовательность диктовала форму комплементарной молекулы.
Исследователи продемонстрировали, что шаблонная двоичная структура может многократно копироваться (усиливаться) с помощью повторяющейся последовательности температурных колебаний между тёплой и холодной фазой. Такой механизм репликации мог происходить в гидротермальных микросистемах на ранней Земле, например, в водных растворах, захваченных в пористых породах на морском дне, где происходят естественные температурные колебания.
Ключевые выводы
- Система способна к экспоненциальной репликации, что делает механизм устойчивым к накоплению ошибок.
- Структура комплекса-репликатора сама напоминает структуру современных тРНК.
- Это предполагает, что ранние формы тРНК могли участвовать в процессах молекулярной репликации, прежде чем они взяли на свою современную роль в трансляции.
«Эта связь между репликацией и трансляцией в раннем эволюционном сценарии может дать решение проблемы курицы и яйца», — говорит Александра Кюнляйн.
Исследования не только приближают к реконструкции происхождения жизни, но и имеют значение для будущего биотехнологий.