Проводится сравнение трехмерной структуры рибосом бактерий, архей и эукариотов, и делаются выводы относительно происхождения разных частей рибосомы.
В этой статье подробно изучаются функциональные свойства разных частей рибосомы и делается интересный вывод о том, что большая субъединица — эволюционно более старая, а малая — это более поздняя добавка к ней.
Вообще, тот факт, что синтез белка в каждой клетке выполняет фактически РНК, а белки в этом процессе выполняют лишь вспомогательную роль, это весомый аргумент в поддержку РНК-мира. Но есть другие.
Вот вы упоминали такие белки, аминоацил-тРНК-синтетазы, которые присоединяют определенные аминокислоты к определенным транспортным РНК. Другими словами, они обеспечивают работу генетического кода, само кодирование. Эти белки - общие для любого живого организма. Но если на секунду углубиться в детали, то там есть два базовых неродственных семейства, одно из которых отвечает за одни десять аминокислот, а другое за другие. Все они уже, насколько мы знаем, присутствовали в этом самом LUCA.
Теперь, если мы построим некое эволюционное дерево для центральных доменов этих ферментов, мы увидим, что специализации этих самых аминоацил-тРНК-синтетаз предшествовала длительная эволюция самих белков. То есть сначала прошла очень серьезная эволюция этих белков, и только потом они стали, собственно, основой генетического кода. Это говорит о том, что эволюция белков происходила еще до того, как система их синтеза стала такой, какой мы ее знаем сейчас. И основана она была на РНК.
Теперь самое интересное - как от этого перейти, собственно, к возникновению генетического кода? Многие, и мы в том числе, пытались строить некие схемы того, как это могло произойти. Они подразумевают существование некого большого РНК-фермента, который в какой-то момент переключается на синтез белка, а некоторые другие РНК становятся матричными РНК.
Ни одна из этих моделей не кажется мне убедительной. Мы знаем, что синтез белка как-то возник, но убедительной последовательности этапов у нас нет.
В связи с этим, конечно, возникают идеи, к которым я, например, вынужден относиться серьезно. Идеи о том, что достаточно сложные системы (разумеется, не все элементы сразу) могли возникнуть сугубо случайно.
Произошло это, заметьте, лишь однажды - вся клеточная жизнь имеет именно единое происхождение, и в особенности генетический код и система трансляций. Когда мы знаем, что нечто имеет единое происхождение, то, естественно, открывается окно для большой роли случайности. Возникло и возникло. Победителей не судят.
Исследователи из Манчестера и Эдинбурга создали примитивный искусственный аналог рибосомы — ротаксановую наномашину, способную синтезировать пептиды заданного состава.
// elementy.ru
// elementy.ru
Американские ученые еще на шаг приблизились к созданию саморазмножающихся комплексов молекул РНК, подобных тем, с которых могла начаться земная жизнь. Методом искусственной эволюции получены рибозимы, катализирующие матричный синтез молекул РНК противоположной хиральности: «правые» РНК катализируют репликацию «левых» и наоборот. Новые рибозимы умеют синтезировать в том числе и собственные зеркальные копии, которые, в свою очередь, катализируют репликацию исходных рибозимов. Исследование показало возможный путь решения двух проблем, стоящих перед теорией мира РНК: проблемы хирального ингибирования (в отличие от полученных ранее рибозимов — РНК-полимераз, работа новых рибозимов не тормозится в присутствии нуклеотидов противоположной хиральности) и проблемы зависимости от матрицы. Левые и правые нити РНК не образуют друг с другом уотсон-криковских связей, поэтому эффективность работы новых рибозимов практически не зависит от последовательности нуклеотидов в реплицируемой матрице.
До сих пор в подобных исследованиях и сам рибозим, катализирующий размножение РНК, и размножаемая им молекула имели одну и ту же хиральность: они состояли только из «правых» нуклеотидов (в состав которых входит «правый» энантиомер рибозы). Именно из правых нуклеотидов сделаны все молекулы РНК и ДНК в живых клетках.
Джонатан Щепански (Jonathan T. Sczepanski) и Джеральд Джойс (Gerald F. Joyce) из Научно-исследовательского института имени Эллен Скриппс предположили, что на заре жизни этой асимметрии не было, а правые и левые молекулы РНК могли кооперироваться, чтобы размножать друг друга (рис. 1). Такое предположение интересно тем, что оно помогает решить сразу несколько трудных проблем.
Во-первых, в реакциях абиогенного синтеза нуклеотидов (см.: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009) обычно получается смесь правых и левых нуклеотидов. Чтобы предполагать изначальное господство правых энантиомеров, нужно понять, как могла установиться такая асимметрия. Некоторые подходы к решению этой проблемы уже найдены (J. E. Hein et al., 2011. A route to enantiopure RNA precursors from nearly racemic starting materials). Но теория будет более экономной, если удастся показать возможность появления саморазмножающихся молекулярных комплексов на основе рацемической смеси левых и правых энантиомеров. В этом случае дарвиновская эволюция стартует до того, как установится асимметрия, которая тогда может оказаться следствием эволюционного развития, а не его предпосылкой.
Современная жизнь основана исключительно на правых молекулах РНК и ДНК, но было ли так с самого начала? Результаты Щепански и Джойса позволяют предположить, что нет. Но если кросс-хиральные РНК-полимеразы действительно сыграли какую-то роль на ранних этапах становления жизни, то возникает естественный вопрос, как эти рибозимы появились. Очевидно, до их появления должна была существовать какая-то более примитивная система синтеза «чисто левых» и «чисто правых» молекул РНК. Она могла быть основана либо на каком-то другом полимере, у которого не было энантиомеров и который мог катализировать полимеризацию нуклеотидов одинаковой хиральности, производя как левые, так и правые молекулы РНК, либо на неферментативной репликации РНК (см. Синтез РНК в «протоклетках» все-таки возможен, «Элементы», 02.12.2013), в ходе которой каким-то образом происходил отбор «чистых» левых или правых полимеров. В дальнейшем такие молекулы РНК приобрели способность катализировать репликацию молекул противоположной хиральности, что позволило сформироваться сообществам размножающих друг друга левых и правых молекул. Причем эти молекулы не обязаны были быть зеркальными отражениями друг друга, как в описанном эксперименте: они могли быть разными.
Переход от этого исходного, симметричного содружества левых и правых РНК к нынешнему абсолютному преобладанию правых молекул мог произойти в результате какого-то важного эволюционного «изобретения», которое было сделано, по чистой случайности, именно правыми рибозимами. Таким изобретением мог быть, например, контролируемый синтез пептидов. Пептиды вскоре взяли на себя функцию репликации правых РНК. После этого левые РНК стали избыточными и исчезли: по образному выражению авторов, «левая сторона зеркала потемнела». Но всё это, конечно, пока лишь грубые наброски.