Двенадцать пар самовоспроизводящихся РНК вступили в гонку на выживание. До финиша дошли не все. А часть выживших мутировала, породив новые разновидности РНК. Авторы работы уверены, что увидели начало мировой эволюции.
Биологи из Скриппсовского исследовательского института (Scripps Research Institute, Ла-Хойя, Калифорния),смоделировали эволюцию в пробирке. Им удалось искусственно воспроизвести реакции, которые, по их мнению, могли лежать в основе возникновения жизни на Земле. Они сделали важный шаг в понимании основного вопроса -- как первые молекулы могли воспроизводить сами себя.
В поисках «первомолекулы жизни» многие ученые от главной биологической молекулы ДНК обратились к РНК. В современном мире РНК играет второстепенную роль при ДНК. Если ДНК это хранитель генетической информации, то РНК – временная копия с нее для переноса этой информации на строящуюся молекулу белка. Но у РНК кроме информационных есть и очень полезные каталитические (или ферментативные) свойства. Когда были открыты РНК-ферменты – рибозимы, они привлекли внимание тем, что могли катализировать свои же реакции, и поэтому как никакие другие подходили для «первомолекул жизни». О «мире РНК» ученые задумались еще несколько десятилетий назад. Но теоретическую концепцию надо было подкреплять доказательствами, а они добываются не быстро.
В последнем исследовании докторант Трейси Линкольн (Tracey Lincoln) экспериментально проверяла концепцию руководителя лаборатории профессора Джеральда Джойса (Gerald Joyce) о самовоспроизводящихся молекулах РНК. Ранее Джойс с коллегами разработал методику эволюции в пробирке, где размножались искусственно синтезированные рибозимы, но это происходило с участием ферментов. Теперь же впервые удалось заставить рибозимы самовоспроизводиться без помощи каких-либо белков, достаточно быстро и бесконечно долго.
Молекулы размножаются парами
Сначала ученые синтезировали рибозимы, способные к самовоспроизведению, причем в парах. В качестве исходного сырья для создания новых копий молекул использовались короткие цепочки нуклеотидов (субъединицы). Каждый рибозим в паре работает как катализатор для сборки другого. Сначала первый рибозим берет две субъединицы второго и соединяет их друг с другом, образуя новую копию второго рибозима. Затем второй соединяет две субъединицы первого и возникает новая копия первого рибозима. Так они воспроизводят друг друга: этот процесс называется кросс-репликацией. Она может происходить бесконечно долго, пока не кончится исходное сырье.
Победит сильнейший
На следующем этапе Трейси Линкольн устроила рибозимам борьбу за выживание с победой наиболее приспособленных. 12 пар самовоспроизводящихся рибозимов заставили вступить в соревнование друг с другом. Их смешали в пробирке, где они стали успешно размножаться.
В большинстве случаев построение новых копий рибозимов происходило точно. Но иногда возникали ошибки, то есть мутации. Это происходило, когда к одному рибозиму присоединялась не его собственная, а другая субъединица. Такие рекомбинантные рибозимы тоже копировали сами себя и иногда ошибались. В пробирке происходило то, что постоянно происходит в живой клетке.
В результате такого обмена в пробирке, где на старт вышли 12 рибозимов в одинаковых количествах, до финиша дошли самые жизнестойкие. В такой простейшей модели эволюции преимущества одних молекул перед другими тоже просты – каталитическая активность и скорость размножения. Те, кто размножался быстрее, быстрее использовал сырье, и естественно, их количество в смеси увеличивалось. Джойс расценивает это как потрясающий результат.
Еще не живые, но уже похожи на живых
Ученые говорят, что сконструировали простейшую генетическую модель, состоящую из двух локусов и 12 аллелей для каждого локуса. Эта РНК-система передает информацию следующим поколениям молекул и дает возможность для изменений, которые лежат в основе эволюции по Дарвину. «Это еще не живой организм, но он обладает некоторыми основными свойствами живого», -- говорит Линкольн.
По мнению Джойса, именно так могли происходить ключевые реакции в «первичном бульоне» при зарождении жизни. Это весомый аргумент в пользу «мира РНК», из которого возникло все остальное. Возможно, именно РНК была первой молекулой, с которой началась эволюция.
Работа опубликована в журнале Science.
