Возникла ли жизнь из РНК?

Основой современных живых существ являются ДНК и белки. Человек всегда задумывался над фундаментальными вопросами существования мира. Неважно, это существование Бога, души, реинкарнации или возникновение Вселенной, жизни, или самого человека. Такие уж черты нашей натуры, мы хотим докопаться до сути бытия, узнать откуда все взялось и куда уходит после нас. 

Пожалуй, с тех пор, как человек осознал себя, он задавался вопросом: откуда взялся окружающий мир, и, в частности, живые существа? Существовало много объяснений: от воли всемогущего Творца до теорий о постоянном самозарождении. Подвиг Чарльза Дарвина, в буквальном смысле этого слова, наконец-то поставил этот вопрос на научные рельсы, и лучшие умы планеты взялись за штурм этой головоломки…

Все без исключения живые существа на Земле построены из белков — они выполняют как структурную, так и каталитическую функции. Вместе с молекулами ДНК белки обеспечивают воспроизведение и непрерывность жизни. Логичным шагом было строить гипотезы о возникновении живой материи, начиная с белков. Именно на этом и основывалась теория Александра Опарина, созданная в 1923 году. 

Он утверждал, что на первобытной Земле условия окружающего мира абсолютно отличались от современного — не было кислорода, а атмосфера состояла из углекислого газа, аммиака, метана и других смертельных для человека веществ. Атмосферу пронизывало жесткое ультрафиолетовое излучение, потому что еще не было озона, температура была куда выше, ведь проявлялся парниковый эффект, а воздух пронизывали молнии — все это способствовало образованию органических веществ, которые оседали в океанах, образуя первобытный бульон. 

В этой смеси происходили химические реакции полимеризации сахаров, белков и нуклеиновых кислот. Правдивость теории Опарина была подтверждена в 1953 году Стэнли Миллером, который в лаборатории сумел воссоздать условия древней Земли и получить органические соединения из неорганических только пропусканием электрических разрядов через исследуемую среду. Как оказалось, органические вещества обладают способностью к самоорганизации, образуя коацерваты — отделенные от водной среды концентрированные капли органических веществ. 

Поэтому считается, что именно так началась эволюция, которая привела к возникновению живых существ. Однако, все, без исключения, биологи согласны с тем, что эта теория не объясняет возникновения сложного процесса синтеза белка из содержащейся в ДНК информации. В современных организмах этот механизм представлен тремя основными стадиями: транскрипцией — передачей информации с ДНК на РНК; созреванием РНК — удалением лишних последовательностей нуклеотидов, которые не несут информации для синтеза белка; трансляцией — передачей информации с созревшей РНК на белок. 

Рибозим — молекула РНК, выступающая в роли катализатора

В этой схеме существует одна обратная связь, когда информация, например у ретровирусов (пресловутый ВИЧ), передается с РНК на ДНК, но неизвестно ни одного случая передачи информации из белка на РНК или ДНК. То есть, при условии, что белок является первопричиной жизни, возникновение механизма синтеза самого белка и передачи наследственной информации завела всю биологическую науку в тупик. 

Казалось, что эта загадка уже никогда не будет раскрытой, и вдруг появляется альтернативная, вполне научная и логическая гипотеза возникновения жизни на основе РНК, которая начала очень серьезно завоевывать благосклонность биологов.

Впервые идея о возможности зарождения жизни не на основе белков, а на основе РНК была высказана Александром Ричем в 1962 году, впоследствии поддержана Карлом Воезом в 1967 году, но выразительность получила только в 1986-ом, благодаря трудам Вальтера Гилберта. 

Основными положениями этой гипотезы является способность РНК, так же как и ДНК, кодировать, хранить и передавать генетическую информацию. А еще одним свойством РНК является ее каталитические способности, то есть выполнение функции белков для ускорения биохимических реакций. Согласно гипотезе мира РНК, коацерваты захватывали свободные нуклеотиды и цели последовательности — короткие цепи РНК, которые накапливались внутри них, а также синтезировались в окружающей среде. Свойство РНК к спонтанному самовоспроизведению без участия белковых катализаторов дает все основания полагать, что биологические «клетки» были концентратами РНК. То есть РНК выполняет функции самокатализатора, что подтверждено лабораторными исследованиями, в ходе которых 189-и нуклеотидная цепь смогла воспроизвести саму себя с точностью до 98,9%. 

Однако, сами молекулы РНК не являются стабильными и подвергаются искажению даже при взаимодействии с водой, поэтому естественный отбор шел путем стабилизации РНК с помощью аминокислот. В то же время, комплексы с аминокислотами и короткими цепями белков — пептидами — предоставляли РНК высшие каталитические параметры. 

Сначала белки, по сути, «висели» на молекулах РНК, но в ходе эволюции отделились, выполняя функцию структурных элементов и ферментов, — это был путь развития белок-синтетического аппарата и перехода к «белковой жизни». 

Синтез белков в современных организмах происходит благодаря взаимодействию трех разных типов РНК: мРНК — матричной, рРНК — рибосомальной и тРНК — транспортной. В лабораторных условиях на небольших цепях РНК пептидов синтезируется значительно меньше, чем в рибосомах. Биологи считают, что вторые эволюционировали именно от первых.

Фото рибосомы, полученное с помощью микроскопа

Другое направление эволюции РНК — это возникновение наследственного механизма, который формировался уже после появления синтеза белка, ведь возникает необходимость хранения и передачи каталитических свойств белка дочерним молекулам РНК.

Эволюционный отбор оставлял только те молекулы РНК, которые хранили информацию о белках и передавали ее на другие типы этих молекул, которые в свою очередь были задействованы в синтезе белка. В этот момент эволюция пересекает рубикон жизни и начинается ее «биологический» этап, поскольку наследственная информация передавалась от одной особи к другой. 

Получение белками самостоятельных каталитических свойств привело к возникновению нуклеаз — ферментов, способных к разрушению РНК. Поэтому эволюция пошла по пути создания и переборки наследственных свойств с помощью молекул ДНК. В общем, ДНК и РНК очень похожи между собой, их принципиальным отличием является структура сахара, который образует «скелет» молекулы. 

В ДНК этот сахар представлен дезоксирибозой (отсюда и название ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота), а в РНК — рибозой (рибонуклеиновая кислота). Первая от второй отличается отсутствием гидроксильной группы в положении третьего атома углерода. Именно благодаря этому ДНК имеет большую стабильность, нежели РНК, а следовательно, и более надежный депозитарий для генетической информации.

Доказательством происхождения ДНК от РНК является то, что для начала репликации ДНК необходим коротенький фрагмент РНК, иначе процесс не произойдет — это отголосок давно минувших миллиардов лет.
Гипотеза мира РНК имеет чрезвычайное значение для определения жизни, которое сейчас представлено белками и ДНК, а роль РНК только рудиментарная — выполнение функции посредника. Данная гипотеза имеет как своих сторонников, так и своих противников. Она обладает как сильными сторонами — вполне объясняет возникновение жизненно необходимых механизмов клетки и их эволюцию, так и слабыми — не может объяснить пре-биологический синтез цитозина, взаимодействие сахаров из формальдегида, трудности синтеза нуклеотидов и тому подобное. Однако, все это не является принципиальными и основными, они ждут еще своего объяснения.

Недавно — в 2001 году, гипотеза мира РНК получила одно из весомых подтверждений. Расшифровка трехмерной структуры рибосомы показало, что ключевые каталитические части этой структуры расположены не на белках, как считалось до сих пор, а на РНК, тогда как белки выполняют только защитную и структурную функции в содержании пространственной структуры рРНК. Это открытие подтверждает гипотезу о возможности синтеза белков первобытными РНК без участия первых.
Как бы там ни было, но организмы, в которых РНК играла ключевую роль, вымерли несколько миллиардов лет назад, хотя сегодня известно 33 вида уникальных «существ», которые называются вироидами. 

Вироиды под микроскопом

Вироиды — это растительные внутриклеточные паразиты, которые представлены в виде замкнутой двухцепочечной РНК с каталитическим центром, которые были открыты в 1971 году Теодором Диенером. По своей структуре это короткоцепочечные РНК, наименьший из вироидов имеет лишь 220 нуклеотидов, а в среднем их 350-500. Для сравнения сам РНК-содержащий вирус насчитывает более 2 тыс. нуклеотидов. 

Интересно, что последовательность нуклеотидов в вироидах не кодирует ни одного белка, но  она очень активно конкурирует с клеточными структурами за фермент РНК-полимеразу, препятствуя синтезу мРНК, а соответственно и белков. 

Механизм инфицирования растений вироидами еще не раскрыт, а симптомы вызываемых этими «организмами» заболеваний проявляются в торможении роста и искажении органов. Происхождение вироидов остается большой загадкой для ученых, наиболее распространенной является гипотеза «интрон беглого» — структурной части информационной РНК, которая удаляется ферментами при ее созревании и формировании мРНК. А может это таинственное существо, которое сохранилась еще с тех древних времен, когда жизнь только возникла?

Ранее ученые разработали новую систему редактирования генов, которая позволяет избежать случайных связей — непреднамеренных мутаций, которые происходят при использовании CRISPR/Cas9.