Заглядывая на 3,8 миллиарда лет назад к корням «Древа Жизни»
Исследователи из Технологического института Джорджии, финансируемые NASA, изучают информацию, содержащуюся в клетках всего живого на Земле, чтобы проследить эволюцию жизни. Они выяснили, что жизнь — мастер-стенограф: она записывает, переписывает и хранит свою историю в сложных биологических структурах.
Ключи к разгадке происхождения жизни зашифрованы в рибосоме — древнейшем и наиболее универсальном молекулярном комплексе. Современная рибосома преобразует генетическую информацию (RNA) в белки. Однако сама рибосома менялась со временем. Её история показывает, как простые молекулы объединились, чтобы создать биологию, а её современная структура хранит записи древних биологических процессов, происходивших у корней Древа Жизни около 3,8 миллиарда лет назад.
Изучая вариации рибосомной RNA в современных клетках, учёные могут визуализировать временную шкалу жизни в глубоком прошлом, проясняя молекулярные структуры, реакции и события, близкие к биохимическому происхождению жизни.
«Биология — великий хранитель записей», — говорит профессор Лорен Уильямс, главный исследователь Центра адаптации и эволюции рибосом NASA Astrobiology Institute в 2009-2014 гг. — «Мы выясняем, как прочитать одни из древнейших биологических записей, чтобы понять добиологические процессы, происхождение и эволюцию жизни на Земле».
Исследование опубликовано 30 ноября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Подобно годовым кольцам на стволе дерева, рибосома содержит компоненты, которые функционировали на ранних этапах её истории. Все современные рибосомы содержат общее ядро, возраст которого составляет 3,8 миллиарда лет. Это ядро одинаково у всех живых организмов, включая человека.
«Рибосома записала свою историю», — говорит Уильямс. — «Она росла и увеличивалась со временем. Но более старые части постоянно "замораживались" после их добавления, как кольца дерева. Самое ядро рибосомы старше биологии, оно создано эволюционными процессами, которые мы до сих пор плохо понимаем».
Этот «архив» рибосомы не только показывает, как менялась биология, но и может указывать на условия окружающей среды на Земле, в которых эта биология эволюционировала, что помогает в поиске жизни в других частях Вселенной.
«Эта работа позволяет нам заглянуть в прошлое, за пределы общего предка всех современных клеток, в то время, когда белки и нуклеиновые кислоты ещё не стали основой всей биохимии», — отмечает Карл Пилчер, исполняющий обязанности директора NASA Astrobiology Institute.
Используя метод Structural Comparative Method и изучая рибосомы различных видов (людей, дрожжей, бактерий и архей), команда под руководством научного сотрудника Антона Петрова обнаружила «молекулярные отпечатки», показывающие, где происходили добавления, и выявила правила её роста.
Например, поскольку самая ранняя жизнь не имела белков, регионы рибосомы, не содержащие белков, должны были существовать до их появления.
Общее ядро рибосомы одинаково у всех видов, но добавленные поверх него части различаются. Рибосома человека — самая большая, она содержит около 7000 нуклеотидов, что представляет собой колоссальный рост от первоначальных ста или около того пар оснований.
«Мы наблюдаем переход от коротких олигомеров, коротких фрагментов RNA, к биологии, которую видим сегодня», — говорит Уильямс. — «Увеличение в размере и сложности ошеломляет».
Рибосомы для исследования были получены из баз данных структур и последовательностей. Понимание архитектуры и эволюции рибосомы, которая является основной мишенью для антибиотиков, может иметь практическое значение для медицины.
Следующим шагом станет экспериментальная проверка предсказаний созданной модели.