И снова, снова о зарождении жизни...

---

...Начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий (см.: RNA world hypothesis). Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Химикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. В итоге многие эксперты признали необходимость поиска обходных путей.

На сегодняшний день удалось нащупать два таких пути. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК (см. Peptide nucleic acid), ТНК (см. Threose nucleic acid) и ГНК (см. Glycerol nucleic acid). Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности».



Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований. Команда Сазерленда сейчас готовит публикацию, в которой будут разрешены основные проблемы синтеза РНК из простейшей органики. По словам Сазерленда, реакции хорошо идут при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. Если такой водоем время от времени подвергается высыханию, это может сильно ускорить дело благодаря росту концентрации реагентов в остающихся мелких лужах. Так что Дарвин с его «маленьким теплым прудом», возможно, был недалек от истины.

Таким образом, на долгом и сложном пути от неорганических молекул к первой живой клетке остается всё меньше «белых пятен». Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению (см. об этом в заметке: Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Однако и эта проблема постепенно решается. Очередной важный шаг в этом направлении сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) из Скриппсовского института в Сан-Диего (Калифорния, США), чья статья опубликована 8 января на сайте журнала Science.


Исследователям удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга. В результате такой взаимной репликации популяция рибозимов может расти в геометрической прогрессии сколь угодно долго — для этого нужно только исправно снабжать растущую популяцию необходимыми «ресурсами», то есть исходными материалами для синтеза новых молекул РНК. За 30 часов популяция может в благоприятных условиях вырасти в 100 млн раз. Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.

В отличие от прежних опытов, в которых удавалось добиться неограниченного размножения молекул РНК (см.: Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008), в данном случае процесс идет без участия белковых ферментов. Единственное, что не позволяет назвать этот результат окончательным решением проблемы самовоспроизведения РНК, — это природа субстрата. Размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, то есть с довольно длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.


Схема репликации рибозимов в опыте Линкольн и Джойса. Исходными субстратами служат 4 олигонуклеотида (два розовых в верхней части рисунка и два голубых — в нижней). Голубой рибозим служит матрицей для сборки розового рибозима из двух розовых олигонуклеотидов, а розовый рибозим — матрицей для сборки голубого рибозима из двух голубых олигонуклеотидов. Рис. с сайта Royal Society of Chemistry | Advancing the Chemical Sciences
Схема репликации рибозимов в опыте Линкольн и Джойса. Исходными субстратами служат 4 олигонуклеотида (два розовых в верхней части рисунка и два голубых — в нижней). Голубой рибозим служит матрицей для сборки розового рибозима из двух розовых олигонуклеотидов, а розовый рибозим — матрицей для сборки голубого рибозима из двух голубых олигонуклеотидов. Рис. с сайта Royal Society of Chemistry | Advancing the Chemical Sciences

Таким образом, между результатами опытов Сазерленда (синтез рибонуклеотидов из простой органики) и Линкольн–Джойса (саморепликация рибозимов с олигонуклеотидами в качестве субстрата) еще остается брешь, для заполнения которой потребуются дополнительные исследования: нужно как-то перейти от отдельных рибонуклеотидов к олигонуклеотидам.

В заключительной части эссе Циммер рассказывает о работе по созданию искусственных протоклеток — пузырьков с липидной оболочкой, способных поглощать «пищу» (нуклеотиды) из окружающей среды и осуществлять репликацию РНК или ДНК.

С новейшими результатами этих исследований читатели «Элементов» уже знакомы (см. Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008). Команда ученых из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне (США), создавшая протоклетки, продолжает работать над их усовершенствованием. Протоклетки используют в качестве субстрата не олигонуклеотиды, а отдельные нуклеотиды, и обходятся без помощи белковых ферментов, но пока не могут полностью осуществить весь цикл репликации РНК (они выполняют только отдельные этапы этого процесса). Однако исследователи полны оптимизма. Их цель — добиться того, чтобы протоклетки не только росли и размножались, но и эволюционировали. По их мнению, начало жизни было неразрывно связано с началом дарвиновской эволюции — по сути дела, это было одно и то же событие. Любопытно, что поведение протоклеток зависит от температуры: в тепле они активно «питаются», поглощая нуклеотиды из окружающей среды, а на холоде более активно используют эти нуклеотиды для матричного синтеза РНК. Может быть, для первых живых существ был характерен суточный цикл: днем они питались, а ночью реплицировали свой наследственный материал?

Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы превращения косной материи в простейший живой организм.

---