|
Зарождение жизни в кармане РНК
|
|
|
|
Эта история началась несколько миллиардов лет назад. Есть только химия, никакой биологии, то есть химических соединений на Земле много, а жизнь еще не возникла. Затем среди мириадов случайно самособирающихся химических структур обнаруживается одна крошечная молекулярная машина РНК, идеально подходящая для создания связей между активированными аминокислотами, строительными блоками будущих белков. Это поворотный момент в истории нашей планеты: теперь может начаться синтез белков, биологических молекул, необходимых для жизни. Профессор Ада Йонат и ее команда из Научного института Вейцмана считают, что воссоздали этот момент в лаборатории, показав, как это могло произойти. Что касается первичной машины для создания пептидных связей, они обнаружили, что она все еще присутствует практически в каждой клетке всех живых организмов, от бактерий до растений и животных, включая нас самих.
|
|
|
|
Теория, лежащая в основе проекта команды, родилась около 20 лет назад из поразительных открытий, сделанных в лаборатории Йонат в ходе определения структуры и функции рибосомы — исследования, которое позже принесло ей Нобелевскую премию по химии 2009 года. Рибосома выполняет один из основных процессов жизни: производство белков на основе информации, содержащейся в ДНК. «Мы обнаружили удивительную особенность в структуре этой машины для производства белка», — говорит доктор Анат Башан, старший научный сотрудник лаборатории Йоната в отделе химической и структурной биологии Вейцмана. «Рибосома — это огромная макромолекула, которая совсем не симметрична; в своей основе она содержит два полусимметричных элемента, соединенных вместе, образуя карман».
|
|
|
Йонат говорит, что их «особенно поразил тот факт, что этот карман находится в рибосомах всех организмов. И именно здесь происходит все действие — здесь все пептидные связи, образующие цепочку связанных аминокислот, составляющих белок». Вот почему этот основной механизм, по-видимому, оставался неизменным на протяжении всей эволюции». Познакомьтесь с проторибосомой: так ученые называют эту карманоподобную структуру. Они выдвинули гипотезу, что проторибосома является предком всех современных рибосом, древней машиной, восходящей к периоду преджизни. По сравнению с размером клетки проторибосома довольно мала. Она состоит из молекул РНК, состоящих примерно из 120 нуклеотидов, примерно по 60 на каждый из двух ее полусимметричных компонентов, что составляет менее 5 процентов размеров современной рибосомы: около 4500 нуклеотидов у бактерий и почти 6000 у человека.
|
|
|
|
Вот как развивался сценарий, по словам Йонат и ее команды: Проторибосома возникла, когда пучок нуклеотидных цепей РНК самостоятельно собрался в две полусимметричные стенки, соединенные между собой, образуя карман. Бесконечные другие структуры, должно быть, случайно самособирались примерно в то же время, но проторибосома выжила, «став вирусной», кажется, потому что она выполняла полезные функции и, благодаря внутренним способностям РНК, она могла самореплицироваться. Когда две активированные аминокислоты взаимодействовали друг с другом внутри этого кармана, они образовывали связь, чему способствовали преобладающие химические условия. Эти аминокислоты могли возникнуть на Земле или, как утверждают некоторые, приземлиться с астероидами из космоса, но их происхождение не имеет отношения к нашей истории. Важно то, что внутри проторибосомы две активированные аминокислоты могут связываться друг с другом. В дальнейшем такое образование связей объединило еще много аминокислот, связав их в цепочку.
|
|
|
|
Это было началом белков, некоторые из которых затем оказались полезными для стабилизации и поддержки самой проторибосомы. Белки продолжали добавляться к структуре проторибосомы, позволяя ей превратиться в сложную фабрику по производству белков, которой она является сегодня. «Современную рибосому можно описать как луковицу с проторибосомой в центре, окруженную дополнительными слоями, которые были добавлены в ходе эволюции», — говорит Йонат. Со временем производство белка станет достаточно эффективным, чтобы создавать цепочки длиной до тысячи аминокислот, и делать это в соответствии с инструкциями, записанными в генетическом коде. Десятки тысяч белков в организме человека выполняют разные функции: от гормонов, таких как инсулин, до антител в иммунной системе и структурных компонентов клеток и тканей, таких как гемоглобин или коллаген кожи. И все они начались с связей, которые когда-то случайно образовались внутри проторибосомы.
|
|
|
|
Перенесемся на несколько миллиардов лет вперед. Теория была подтверждена расчетами, выводами и экспериментами по димеризации, в ходе которых ученые создали димерные конструкции РНК, имитирующие предполагаемую проторибосому. Но до недавнего времени постулаты теории оставались в основном теоретическими. Теперь, в новом исследовании под руководством научного сотрудника доктора Таная Бозе в лаборатории Йонатха, ученые предоставили ему экспериментальную поддержку. Бозе и его коллеги решили выяснить, будет ли синтезированная в лаборатории проторибосома достаточно стабильной, чтобы выжить и выполнять предполагаемое образование связей, то есть они хотели выяснить, действительно ли она способна выполнять эту задачу. Она и другие члены команды Йоната создали дизайн потенциальной проторибосомы, проанализировав карманообразные структуры в сердцевине нескольких бактериальных рибосом. Затем Бозе приготовил эти проторибосомные конструкции в лабораторной чашке.
|
|
|
|
Затем последовал решающий шаг: проверка того, могут ли карманоподобные димерные конструкции создавать связи между аминокислотами. После смешивания конструкций с раствором, содержащим активированные аминокислотные субстраты, а также различные соли и другие реагенты, Бозе подверг продукты реакции ряду тестов, включая масс-спектрометрический анализ. К радости команды, синтетические проторибосомы, созданные в лаборатории, справились с поставленной задачей. «Формирование пептидных связей является наиболее важной активностью в любой клетке, и мы показали, что это может происходить внутри проторибосомы», — говорит Бозе. «Предполагаемая проторибосома может быть недостающим звеном между миром, в котором доминируют РНК — миром, который мог существовать до появления белков и ДНК, — и жизнью, основанной на белках и нуклеиновых кислотах, какой мы ее знаем сегодня», — говорит Башан. Исследование было опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.
|
|
|
|
Источник
|
