Biologit, kemistit ja jopa matemaatikot ovat työskennelleet vuosikymmenien ajan elämän alkuperän ongelman parissa. Ja vaikka kemiallisesta kehityksestä on jo tieteellisesti perusteltuja ja tuettuja hypoteeseja ennen ensimmäisen solun ilmestymistä, työtä tähän suuntaan jatketaan. "Lenta.ru" puhuu uudesta tutkimuksesta RNA-maailman ongelmasta, jonka tulokset julkaistiin Kansallisen tiedeakatemian Proceedings-lehdessä.
Portlandin osavaltion yliopiston tutkijat, jotka suorittavat kokeita ribotsyymeistä, havaitsivat, että näiden molekyylien kyky katalysoida omaa kokoonpanoa riippuu niiden vuorovaikutuksesta muiden samanlaisten molekyylien kanssa. Tutkimus tukee epäsuorasti RNA-maailman hypoteesia, jonka mukaan ensimmäinen orgaaninen molekyyli, josta tuli ensimmäisten solujen perusta, oli RNA. Nämä RNA-molekyylit pystyivät syntetisoimaan itsensä, kilpailemaan keskenään ja osallistumaan prebioottiseen evoluutioon, kun menestyneimmistä yhdisteistä tuli perusta monimutkaisemmille kemiallisille komplekseille.
Monet ihmiset tietävät, että elävillä soluilla on omat erityiset katalyyttinsä: entsyymit, jotka ovat monimutkaisesti taitettuja proteiinimolekyylejä, jotka suorittavat elintärkeitä reaktioita. Entsyymit voivat kuitenkin olla paitsi proteiineja myös RNA-ketjuja. Muista, että RNA on nukleiinihappo, joka on hyvin samankaltainen kuin DNA, mutta eroaa siitä siinä, että se sisältää riboosisokeria (ei deoksiribroosia) ja yksi typpipitoisista emäksistä, tymiini, korvataan urasiililla. Tutkijoiden mukaan RNA ilmestyi ennen DNA: ta, koska se on paljon labiilempi (sen rakenne on herkempi muutoksille) ja pystyy suorittamaan katalyyttisiä reaktioita ilman proteiinien apua. RNA-molekyylejä, jotka ovat entsyymejä, kutsutaan ribotsyymeiksi. Tyypillisesti ribotsyymit katalysoivat itsensä tai muiden RNA-molekyylien pilkkoutumista.
Yksi tutkituimmista ribotsyymeistä on Azo, entsyymi, jonka tutkijat ovat tehneet Azoarcus-bakteerin DNA: sta löydetyistä itsestään leikkaisista ryhmän I introneista. Intronit ovat geenialueita, jotka eivät sisällä tietoa proteiinin tai nukleiinihapon sekvenssistä ja jotka leikataan lähetti-RNA: n (mRNA) kypsytyksen aikana. Kaikki ryhmän I intronit katalysoivat omaa leikkaustaan RNA-sekvenssistä. Tutkijoille kiinnostava introni ribotsyymi Azo sijaitsee geenissä, joka koodaa kuljetus-RNA: ta (tRNA), joka kantaa aminohappoa isoleusiinia. Solun sisällä Azo, kuten muutkin ribotsyymit, suorittaa oman leikkauksen tRNA: sta, mutta laboratorio-olosuhteissa hän pystyi oppimaan suorittamaan käänteisen silmukoinnin: ribotsyymi leikkaa tietyssä paikassa substraatin - lyhyen RNA-molekyylin, jolla on spesifinen nukleotidisekvenssi,paloja, jotka pysyvät kiinni Azossa.
Azoarcus-bakteerin ribotsyymin rakenne. Fragmentti IGS on merkitty punaisella
Kuva: Jessica AM Yeates et ai. Kemian laitos, Portland State University
Azo on noin 200 nukleotidia pitkä ja voi hajota kahteen, kolmeen tai neljään fragmenttiin, jotka tulevat spontaanisti yhteen 42 celsiusasteessa MgCl2-liuoksen läsnä ollessa. Itsekokoonpanoprosessi alkaa vuorovaikutuksella kahden nukleotiditripaleen (triplettien) välillä, jotka kuuluvat eri RNA-fragmentteihin. Kun vedyn sidoksia muodostetaan kolmikantojen väliin komplementaarisuuden periaatteen mukaisesti, ribotsyymin osat muuttavat alueellista rakennettaan ja yhdistyvät toisiinsa. Tutkijat keskittyivät kahden fragmentin, jotka olivat alustavasti nimetty WXY: ksi ja Z: ksi, itsekoostumisreaktioon, joissa W, X, Y ja Z edustavat ribotsyymin erillisiä alueita, joiden pituus on noin 50 nukleotidia (kuva 1). Paikalla W, RNA-molekyylin etupäässä, yksi kolmoista sijaitsee,joka on mukana itsenäisen kokoamisen aloittamisessa ja jota kutsutaan "sisäiseksi ohjaussarjaksi" (IGS). WXY: n lopussa on tag-tripletti, joka vuorovaikutuksessa IGS: n kanssa muodostaa vahvan kovalenttisen sidoksen Z-fragmentin kanssa.
Mainosvideo:
Tutkijat loivat WXY-fragmenttien eri variaatiot (genotyypit) vaihtamalla IGS: n keskellä sijaitsevat nukleotidit ja tag-tripletit (nukleotidit M ja N, vastaavasti). Koska RNA-molekyylit muodostuvat yleensä vain neljä nukleotidityyppiä, sellaisia variantteja on 16. Esimerkiksi yksi genotyypeistä voi olla 5'-GGG-WXY-CAU-3 'ja toinen 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Kaikki nämä molekyylivariantit voivat kilpailla keskenään, muodostaen erilaisia metabolisia verkostoja, joissa tarvitaan yhteinen resurssi - Z-molekyyli - kokonaisen ribotsyymin palauttamiseksi.
Reaktio atso-ribotsyymin eri fragmenttien välillä kokonaismolekyylin muodostamiseksi
Kuva: Jessica AM Yeates et ai. Kemian laitos, Portland State University.
Kokeiluissaan tutkijat kokeilivat ensin kunkin genotyypin kykyä koota itsensä erikseen. Kun M ja N muodostavat Watson-Crick-pareja (ts. Komplementaarisuusperiaatteen mukaisesti A - U, C - G), ribotsyymin itsekokoonpanonopeus nousee korkeammaksi kuin muun tyyppisillä pareilla. Tutkijat simuloivat sitten lämmin "pieni lampi" -ympäristö, jossa erilaiset prebioottiset molekyylit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa hyötyäkseen toisistaan ja nopeuttaakseen itsensä järjestäytymistä. Biokeemikot seurasivat pariksi muodostettujen genotyyppien käyttäytymistä. Tutkijat tutkivat yhteensä 120 paria, jotka koostuivat kahdesta erilaisesta WXY-variantista. He mittasivat kunkin reaktion nopeutta, joka tapahtui kahden WXY-genotyypin molekyylien ja Z-fragmenttien välillä erillisten putkien sisällä 30 minuutin ajan.
Eri ribotsyymifragmenttien sekvenssien välinen vuorovaikutus vety sidoksia käyttämällä
Kuva: Jessica AM Yeates et ai. Kemian laitos, Portland State University
Yhdistämällä kokeen molempien vaiheiden tulokset ja saatuaan itsekokoonpanonopeudet kahden eri genotyypin vuorovaikutuksessa tutkijat perustavat evoluutiokokeen. Genotyyppiparit sekoitettiin yhtä suuressa osassa, varustettiin Z-fragmenteilla ja reagoitiin keskenään viiden minuutin ajan. Tänä aikana tutkijat näytteli 10 prosenttia liuoksesta uuteen koeputkeen, joka sisälsi enemmän reagoimatonta WXY: tä jokaisesta genotyypistä ja Z-fragmentteja. Tutkijat seurasivat kunkin WXYZ-genotyypin suhteita kahdeksan tällaisen siirron aikana. Tämä antoi mahdolliseksi arvioida ribotsyymien evoluution menestyksen kemiallinen vastaavuus sukupolvien ajan, jota havaittiin "räjähdyksenä" - toisin sanoen voimakkaasti lisääntyneen RNA: n itsestään kokoonpanonopeudessa. Evoluutiokokeessa biologit tutkivat seitsemän parin ribotsyymit-parin vuorovaikutusta.
Kaikkien laboratoriokokeiden perusteella tiedemiehet ovat löytäneet differentiaaliyhtälöiden matemaattisen mallin, jossa otetaan huomioon genotyyppien itsekokoonpanonopeus muiden genotyyppien kanssa tai ilman. Tästä mallista tuli perusta uudelle evoluutiopeliteorialle, joka määrittelee useita RNA-molekyylien käyttäytymismalleja. Yhdessä geenityypissä, nimeltään "Dominance", yksi genotyypeistä on aina yleisempi kuin toisessa, kun taas sen itsekokoonpanonopeus ylittää aina kilpailijan nopeuden. Toisessa tapauksessa - "Yhteistyö" - molemmat keskenään vuorovaikutuksessa olevat genotyypit hyötyvät "yhteistyöstä", ja niiden itsekokoonpanon nopeus on suurempi kuin mitä heillä olisi erillään toisistaan. "Itsekäs skenaario" - joka on täysin vastakohta "yhteistyölle" - tarkoittaa, että kukin ribotsyymi saa erikseen enemmän kuin vuorovaikutuksessa jonkun muun kanssa. Ja lopuksi"Vasta-määräävässä asemassa" genotyyppi, jolla on alhainen itsekokoonpanonopeus, alkaa yhtäkkiä esiintyä useammin kuin kilpailijaa.
Tämän tutkimuksen tarkoituksena ei ole suoraan todistaa RNA-maailman hypoteesia, mutta se edustaa toista kappaletta prebioottisen evoluution tieteellisen ymmärtämisen palapelissä. Ensimmäistä kertaa osoitettiin, että yksittäisten molekyylien entsymaattisia ominaisuuksia voidaan parantaa, kun läsnä on muita molekyylejä, jotka eroavat vain yhdellä tai kahdella nukleotidilla. Gigantisessa ratkaisussa, joka oli maan valtameret elämän kynnyksellä, nämä molekyylit kilpailivat keskenään substraateista, toimivat yhteistyössä ja tehostivat toimintaansa. Tämän perusteella voidaan jo olettaa, miksi monimutkaiset orgaaniset yhdisteet pyrkivät yhdistymään järjestelmiin, jotka ovat ensimmäisten solujen prototyyppejä.
Alexander Enikeev