Cambridgen yliopiston tutkijat ovat saaneet uusia todisteita RNA-maailman hypoteesin tukemiseksi. Kävi ilmi, että pienet aminohappoketjut, kun ne yhdistetään RNA: han, parantavat niiden katalyyttisiä ominaisuuksia, antavat niiden tulla vähemmän riippuvaisia myrkyllisistä ioneista. Ja tämä on välttämätön edellytys ensimmäisten solujen muodostumiselle. "Lenta.ru" puhuu Nature-lehdessä julkaistusta teoksesta.
RNA-maailman hypoteesin mukaan elämä syntyi yksinkertaisesta biologisesta järjestelmästä, jossa ei ollut DNA- ja proteiinimolekyylejä. Se koostui RNA-komplekseista, jotka pystyvät paitsi tallentamaan geneettistä tietoa myös katalysoimaan kemiallisia reaktioita (tässä tapauksessa niitä kutsuttiin ribotsyymeiksi). Toisin sanoen ne yhdistivät DNA: n ja entsyymien toiminnot. Sitten RNA: n yhdistelmä peptidien ja deoksiribonukleiinihapon kanssa johti yksisoluisten organismien syntyyn. Esiintyy kuitenkin kysymys: mitä hyötyä oli RNA-maailman ja proteiinien vuorovaikutuksesta?
RNA-polymeraasien, nimeltään RNA-polymeraasien, uskotaan muodostavan suurimman osan RNA-maailmasta. Ne olivat replikattoreita - esineitä, jotka kykenevät itse replikoitumaan. Resurssit tähän olivat primaariliemessä olevat nukleotidit. Aluksi ribotsyymeillä oli vaikea kopioida itseään, koska niiden katalyyttisiä kykyjä ei kehittynyt. He tekivät virheitä, mistä seurasi ribotsyymejä ja mutaatioita. Nämä muutokset saattavat estää RNA-polymeraasia kyvystä katalysoitua, mutta joissain tapauksissa tämä laatu päinvastoin parani. Ajan myötä ribotsyymit toistuvat nopeammin ja tarkemmin, niistä tuli enemmän ja voitettiin kilpailu resursseista.
Siten ribotsyymit olivat ensisijaisia genomeja, koska ne tallensivat geneettistä tietoa omasta sekvenssistään. Myöhemmin ne kapseloitiin lipidikalvojen muodostamiin partikkeleihin, mikä johti ensimmäisen protokennon muodostumiseen. Tutkijat kykenevät syntetisoimaan RNA-polymeraasi ribotsyymin analogit, jotka katalysoivat muiden ribotsyymien synteesiä, tai jopa kopioimaan ribonukleotidien lyhyitä sekvenssejä. Ribotsyymi-replikaattoria ei kuitenkaan vielä ole mahdollista saada.
Ribosome Thermus thermophilus
Kuva: Public Domain / Wikimedia
On myös toinen ongelma. Laboratorioissa syntetisoidut ribotsyymit ovat aktiivisia vain erittäin suurissa pitoisuuksissa magnesiumioneja, jotka tuhoavat lipidikalvoja. Tämä tarkoittaa, että ribonukleaaristen RNA-polymeraasien ja protosolujen muodostumisprosessien välillä on perustavanlaatuinen yhteensopimattomuus.
Mainosvideo:
Tilanteen pelastaa se, että RNA-molekyylejä ei ole eristetty monista muista kemiallisista yhdisteistä, kuten peptideistä. Ribotsyymit voivat toimia yhdessä aminohapposekvenssien kanssa, mikä vaikutti niiden toimintaan. Tätä tukee myös se tosiseikka, että ribotsyymien, kuten splisiceosomien (intronien leikkaaminen kypsyvästä Messenger-RNA: sta), ribosomien (osallistuvat proteiinisynteesiin) ja ribonukleaasin P (RNA: n hajoamisen katalysointi), aktiivisuus riippuu sukulaisista proteiineista. Tutkimukset ovat osoittaneet, että tietyt ribotsyymeihin sitoutuvat proteiinit aiheuttavat muutoksia niiden sekundaarisessa rakenteessa ja toiminnassa. Siten ribonukleaasien P tapauksessa proteiinit voivat vähentää niiden aktiivisuuteen tarvittavia magnesiumionien pitoisuuksia. Tätä silmällä pitäen tutkijat päättivät selvittää, voivatko peptidit vaikuttaa RNA-polymeraasiprotsyymien toimintaan samalla tavalla vähentämällä niiden riippuvuutta magnesiumista.
Tähän kysymykseen vastaamiseksi ei tarvitse valita mitään proteiineja, vaan vain niitä, jotka ovat kerran olleet vuorovaikutuksessa RNA-maailman ribotsyymien kanssa. Tutkijat kääntyivät ribosomien rakenteeseen, jotka ovat eräänlainen molekyylin jäännös. Tutkimustulokset osoittavat, että nykymuodossa olevat ribosomit olivat jo läsnä LUCA: ssa - kaikkien nykyaikaisten elämänmuotojen yhteinen esi-ikä.
Thermus thermophiluksen ribosomi-alayksiköiden rakenne
Kuva: Philipp Holliger / Cambridge
Proteiinien, ribonukleiinihappojen ja ionien muodostaman ribosomin rakenteessa sen kehitys kirjataan. Siten suuren ribosomaalisen alayksikön perusta on rikastettu magnesiumioneilla. Vähitellen se kasvatettiin lisämoduuleilla, joissa ionit korvattiin peptideillä. Tutkijoiden mukaan ribotsyymien ja aminohappoketjujen välinen suhde heijastaa RNA-maailman evoluutiohistoriaa ja sen siirtymistä RNA-peptidimaailmaan. Siksi ribosomeista peräisin olevien peptidien, joita pidetään maan antiikin proteiinisekvensseinä, vaikutus analysoitiin.
Tutkijat tunnistivat useita peptidejä Thermus thermophilus -bakteerin kummankin ribosomin alayksiköstä, mikä tehosti RNA-polymeraasi Z-ribotsyymin aktiivisuutta, joka toistaa RNA-molekyylejä.
Kalvovesikkeleiden fluoresenssimikroskopiakuva
Kuva: MRC-molekyylibiologian laboratorio / Cambridge / Iso-Britannia
Merkittävin vaikutus oli kuitenkin homopolymeerisella lysiinidekapeptidillä (K10), joka on kymmenen lysiinimolekyylin aminohapposekvenssi. Se tuki ribotsyymitoimintoja alhaisissa konsentraatioissa magnesiumioneja muodostaen peptidi-ribotsyymi-kompleksin. Tutkijat ovat väittäneet, että tämä johtuu välituotteiden stabiloitumisesta katalyyttisyklissä.
Tutkiakseen tutkiakseen, voiko tämä peptidi edistää ribotsyymien aktiivisuutta membraaniosassa, tutkijat suorittivat kokeen. Saatiin stabiileja vesikkeleitä, jotka koostuivat fosfolipideistä ja diasyyliglyseroleista ja joiden sisälle RNA kapseloitiin. 10 millimoolin (ionikalvoille turvallinen) magnesiumionien konsentraatiossa ja K10: n läsnä ollessa havaittiin ribotsyymi-katalysoiman RNA-synteesi. Magnesiumin puuttuessa synteesiä ei kuitenkaan tapahtunut.
Tämä osoittaa, että peptidit todellakin sallivat ribotsyymien suorittaa katalyyttistä aktiivisuutta pienissä pitoisuuksissa myrkyllisiä ioneja. Seurauksena RNA-polymeraasien riippuvuus epäorgaanisista molekyyleistä väheni, mikä helpotti niiden evoluutiota ja viime kädessä solujen evoluutiota.
Alexander Enikeev