|
Капли РНК способствовали зарождению жизни на Земле
|
|
|
|
Это одна из проблем происхождения жизни, из серии «курица или яйцо»: как РНК могла способствовать появлению первых клеток до того, как появились клетки, способные её содержать? Без компартментализации клетки этим уязвимым молекулам было бы чрезвычайно трудно найти достаточное количество друг друга в так называемом первобытном бульоне, не говоря уже о выживании в суровых условиях ранней Земли.
|
|
|
|
Ответ может заключаться в способности РНК собираться в жидкоподобные капли, или конденсаты. Эти безмембранные компартменты могли концентрировать молекулы РНК, увеличивая возможности для их взаимодействия и потенциально защищая их от горячей и кислой среды.
|
|
|
|
Теперь новое исследование, проведенное Университетом Буффало, проливает свет на то, что делает РНК особенно способной образовывать эти капли. Исследование, опубликованное 31 июля в журнале Nature Communications в соответствии с правилами раннего доступа, показало, что крошечное химическое различие между РНК и ДНК помогает объяснить, почему РНК легче организуется в капли при повышении температуры — и почему эти капли более склонны к образованию жестких, гелеобразных сетевых структур.
|
|
|
|
«Эти результаты впервые показывают, как удивительно малые изменения в молекулярной химии могут контролировать появление гораздо более крупных, самоорганизующихся биомолекулярных структур, таких как конденсаты РНК», — говорит ведущий автор Прия Р. Баннерджи, доктор философии, профессор кафедры физики Университета Буффало, работающая в рамках программы «Клуб двадцатого века». «Они могут позволить нам в конечном итоге ответить на еще более глубокие вопросы, например, помогли ли эти конденсаты преодолеть разрыв между простыми молекулами и самыми ранними формами жизни».
|
|
|
|
|
|
|
Исследование было проведено в сотрудничестве с Джереллом Джозефом, доктором философии, доцентом кафедры химической и биологической инженерии Принстонского университета. Оно было поддержано Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом и Гипотетическим фондом.
|
|
|
|
Данная работа является частью исследований Банерджи, связанных с теорией мира РНК, которая предполагает, что РНК сыграла центральную роль в происхождении жизни на Земле. Молекулы РНК могут как переносить генетическую информацию, так и катализировать химические реакции, что могло позволить им осуществлять химические процессы, которые в конечном итоге привели к появлению ДНК, белков и первых клеток.
|
|
|
|
Однако теория мира РНК сталкивается с фундаментальными вопросами, в том числе с тем, как нестабильная РНК могла сохраняться в суровых пребиотических условиях и как достаточное количество молекул РНК могло сконцентрироваться в одном месте для взаимодействия до появления клеток.
|
|
|
|
Ответ могут дать капли РНК. Исследование 2023 года, проведенное Банерджи, показало, что РНК имеет тенденцию организовываться в жидкоподобные капли при высоких температурах.
|
|
|
|
Опираясь на эту работу, в данном исследовании сравнивались способности РНК к образованию капель с одноцепочечной ДНК, содержащей практически те же последовательности.
|
|
|
|
В своих экспериментах группа Банерджи показала, что РНК начинает образовывать капли при температурах примерно на 10 градусов Цельсия ниже, чем соответствующая ДНК, что свидетельствует о более сильной тенденции РНК к конденсации. Они также обнаружили, что молекулы РНК легче образуют взаимосвязанные сети внутри капель, превращая материал из жидкого в более гелеобразный, что может лучше защищать РНК в суровых условиях окружающей среды.
|
|
|
|
Ключевая причина, по-видимому, заключается в том, что РНК и ДНК химически различаются всего одним атомом кислорода на единицу сахара. Каждая единица сахара в РНК содержит химическую группу, называемую 2'-гидроксильной группой (2'-OH), которая отсутствует в ДНК.
|
|
|
|
Используя микроскопию с контролируемой температурой, малоугловое рентгеновское рассеяние и моделирование молекулярной динамики, выполненное группой Джозефа, команда обнаружила, что 2'-OH, по-видимому, помогает РНК сильнее взаимодействовать с ионами магния и удерживать меньше молекул воды вокруг своей цепи, чем ДНК. Исследователи обнаружили, что эти различия помогают молекулам РНК легче соединяться при повышении температуры.
|
|
|
|
Исследователи дополнительно проверили роль 2'-ОН-группы, химически модифицировав её до 2'-Оме, аналогичной той, что встречается во многих природных РНК. Это ослабило склонность РНК к конденсации и изменило то, оставались ли образующиеся конденсаты жидкими или становились гелеобразными.
|
|
|
|
«Эта единственная кислородсодержащая группа в сахаре РНК оказывает удивительно сильное влияние на то, соединяются ли эти молекулы, остаются ли они динамичными или застывают в гелеобразном материале», — говорит первый автор Гейбл Уодсворт, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Банерджи, который этой осенью присоединится к Техасскому университету в Эль-Пасо в качестве доцента.
|
|
|
|
Лаборатория Банерджи сейчас делает следующий шаг: конструирует капли РНК для выполнения некоторых основных клеточных функций, таких как биохимические реакции. Исследователи пытаются запрограммировать капли на функционирование в качестве активных, динамичных, клеточных компартментов, что потенциально может стать основой для проектирования полностью синтетических клеток на основе РНК.
|
|
|
|
«Подобные самоорганизующиеся РНК-компартменты, возможно, были шагом на пути к одноклеточным организмам», — говорит Баннерджи.
|
|
|
|
Источник
|
