Биологи поняли, как занималась "сексом" первая живая молекула на Земле

БИШКЕК, 3 ноя — Sputnik. Первые молекулы РНК не могли "исправлять" опечатки в своей структуре и самокопировали себя путем проб и ошибок, что замедляло ход ранней эволюции жизни на нашей планете, пишет РИА Новости со ссылкой на выводы ученых в статье, опубликованной журналом ACS Central Science.

По общепринятой на сегодня теории РНК-мира, роль белков и ДНК в первых живых организмах на Земле играли молекулы РНК. Впоследствии клеточными процессами стали управлять белки, а роль хранилища генетической информации заняла ДНК. Сегодня ученые экспериментируют с короткими молекулами РНК, пытаясь воспроизвести процесс зарождения жизни в лаборатории.

В частности, молекулярные биологи-эволюционисты сегодня пытаются понять, как возникли первые РНК-молекулы, как они научились копировать себя и как были впоследствии замещены ДНК и белками, разделившими между собой функции хранения генетической информации и "хозяйственные" роли, которые ранее исполняли рибонуклеиновые кислоты.

Джек Шостак (Jack Szostak) из Массачусетского технологического института в Кембридже (США) и его коллеги нашли возможное объяснение тому, как именно РНК научились собирать самих себя, изучая, как отдельные генетические "кирпичики", так называемые нуклеотиды, соединяются с одиночными спиралями рибонуклеиновых кислот.

Первые эксперименты с этими "кирпичиками", проведенные нобелевскими лауреатами Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1950-х годах, показали, что одиночные звенья РНК и ДНК могут "правильно" соединяться друг с другом в двойной спирали генетического кода только одним способом.

Так, нуклеотид аденозин ("А") всегда образует пары с тимидином ("Т") в ДНК и уридином ("У") в РНК, а гуанозин ("Г") соединяется только с цитидином ("Ц"). Если, к примеру, аденозин случайно соединяется с цитидином внутри спирали генетического кода, то клетка посчитает подобную связь "опечаткой", мутацией и попытается починить ее при помощи белков, защищающих ДНК от поломок.

Шостак и его коллеги задумались о том, как эта проблема могла влиять на работу первых самокопирующихся молекул РНК, у которых не было подобных белковых "помощников", которые есть у современной ДНК в живых клетках.

Для ответа на данный вопрос ученые провели ряд опытов, в ходе которых они собирали короткие двойные спирали РНК, концы одной из которых были оборваны. Затем биологи помещали их в раствор с большим количеством "букв"-нуклеотидов, замораживали их после соединения с новой "буквой" и просвечивали с помощью рентгена.

Эти опыты показали, что правило Крика-Уотсона скорее всего не работало в эпоху "до начала времен". В частности, команда Шостака обнаружила, что одиночные нуклеотиды могут образовать новую спираль и стабильно связываться со второй цепочкой РНК не только "классическим" способом, но и тремя другими путями, образуя иные водородные связи, нежели те, которые привыкли видеть биологи во время изучения ДНК и РНК в живых клетках сегодня.

О чем это говорит? Как считают авторы статьи, данное открытие свидетельствует о том, что развитие РНК-мира и появление первых молекул, способных к самокопированию, шло путем проб и ошибок, с многократными "отступлениями назад" из-за неисправимых случайных ошибок, появляющихся при сборке новых молекул и приводящих их в негодность.

Это, вероятно, замедляло эволюцию жизни на ее первых этапах и могло породить несколько "фальстартов" с полным вымиранием всех живых существ до того, как жизнь научилась контролировать сборку генетического кода и "разработала" правило Крика-Уотсона. Кроме того, возможно, что белки появились на Земле одновременно с РНК, что позволило бы жизни обойти эту проблему "неправильной сборки" генного кода.