Возможно, мы ошибались насчёт происхождения жизни: как формировался генетический код 4 миллиарда лет назад
Генетический код, определяющий правила перевода нуклеотидных последовательностей ДНК в аминокислотные последовательности белков, является основой функционирования всех известных живых систем. На протяжении десятилетий в биологии преобладала гипотеза ступенчатого формирования этого кода. Предполагалось, что сначала жизнь начала использовать простые аминокислоты, которые могли возникать в неживой природе без участия сложных биологических процессов, а затем постепенно освоила более сложные молекулы.
Однако исследование, опубликованное в журнале PNAS группой ученых из Аризонского университета, ставит под сомнение устоявшуюся хронологию и предлагает новый метод определения возраста аминокислот через анализ структуры древнейших белков.
Проблема традиционных моделей
Основным критерием старости аминокислоты считалась её доступность в условиях ранней Земли до появления жизни (абиотическая доступность). Главным аргументом в пользу этой теории служил эксперимент Миллера — Юри 1953 года, в ходе которого в газовой смеси под воздействием электрических разрядов синтезировались простейшие аминокислоты, такие как глицин и аланин. Те молекулы, которые не удавалось получить в подобных опытах, автоматически классифицировались как поздние, требующие для своего создания развитого обмена веществ.
Однако авторы новой работы указывают на недостаток такого подхода. Состав аминокислот в окружающей среде ранней Земли не обязательно соответствовал их концентрации внутри первых живых клеток. К моменту окончательного закрепления генетического кода организмы уже обладали механизмами синтеза РНК и белков, а значит, могли производить необходимые компоненты самостоятельно. Следовательно, биохимические потребности клетки играли более важную роль в эволюции кода, чем случайное наличие тех или иных веществ в океане.
Метод реконструкции предковых последовательностей
Вместо анализа химического состава среды исследователи обратились к молекулярным ископаемым — белковым доменам. Белковый домен — это стабильный элемент структуры белка, способный выполнять определенную функцию и эволюционировать независимо от остальной части молекулы. База данных Pfam содержит информацию о тысячах таких доменов, распределенных по всему древу жизни.
Ученые использовали метод филостратиграфии, чтобы разделить белковые домены на временные слои. Ключевой точкой отсчета стал LUCA (Last Universal Common Ancestor) — последний универсальный общий предок, от которого произошли все современные бактерии, археи и эукариоты.
Исследователи восстановили состав аминокислот в доменах, существовавших у LUCA, и сравнили их с более поздними белками. Логика заключалась в следующем: если определенная аминокислота была интегрирована в код поздно, то в самых древних белках её содержание будет крайне низким, а в более молодых — постепенно возрастать. И наоборот, старые аминокислоты должны преобладать в структурах, сформировавшихся на заре жизни.
Физические свойства и порядок включения
Анализ показал, что наиболее точным предиктором возраста аминокислоты является её молекулярная масса. Чем меньше и проще молекула, тем раньше она закрепилась в генетическом коде. Малый размер обеспечивал легкость встраивания аминокислоты в примитивные белковые структуры, не нарушая их стабильности.
На основе этих данных исследователи пересмотрели статус нескольких критически важных аминокислот. Оказалось, что серосодержащие молекулы (цистеин и метионин) и гистидин вошли в состав кода гораздо раньше, чем считалось ранее. В предыдущих моделях их называли поздними из-за отсутствия в результатах эксперимента Миллера — Юри. Но в опытах Миллера не использовалась сера. В современных экспериментах с добавлением сероводорода эти аминокислоты синтезируются абиотически, что подтверждает их доступность на ранних этапах.
Значение металлов и серы для раннего метаболизма
Раннее появление цистеина и гистидина имеет принципиальное значение для понимания механизмов возникновения жизни. Эти аминокислоты обладают уникальной способностью связывать ионы металлов, таких как железо, цинк и медь. Именно металлы в активных центрах белков выполняют роль катализаторов, ускоряя биохимические реакции в миллионы раз.
Белки, содержащие металлы (металлопротеины), обеспечивают ключевые процессы: перенос электронов, фиксацию азота и синтез энергии. Если бы гистидин и цистеин появились поздно, это означало бы, что ранняя жизнь была лишена эффективного катализа. Но данные исследования подтверждают: уже на уровне LUCA белки были функционально сложными и использовали металлы для обеспечения химических реакций.
Метионин также оказался в числе ранних компонентов. Исследователи связывают это с функционированием S-аденозилметионина (SAM) — сложного кофактора, который используется для передачи метильных групп. Ученые обнаружили, что ферменты, отвечающие за синтез и использование SAM, присутствовали уже у LUCA. Это указывает на то, что метильный обмен веществ был одним из древнейших процессов в биологии.
Аномалии периода до LUCA и альтернативные коды
Наиболее неожиданные результаты были получены при анализе так называемых «пре-LUCA» доменов. Это последовательности, которые успели удвоиться и разойтись по разным функциям еще до того, как единая линия жизни разделилась на бактерий и архей.
В этих сверхдревних белках обнаружилась высокая концентрация ароматических аминокислот (триптофана, тирозина и фенилаланина), которые имеют в своей структуре углеродные кольца. В стандартной модели триптофан считается самой последней аминокислотой, добавленной в код из-за сложности её синтеза. Однако его присутствие в пре-LUCA структурах указывает на то, что на начальных этапах эволюции могли существовать иные механизмы кодирования.
Авторы выдвигают гипотезу, что до формирования современного универсального генетического кода существовали альтернативные системы. Возможно, в специфических условиях, таких как щелочные гидротермальные источники, производство ароматических соединений шло более активно. По мере эволюции и перехода к единому стандарту состав аминокислот оптимизировался, и некоторые из них временно стали менее востребованными, пока жизнь не выработала новые способы их синтеза.
Глобальный контекст и выводы
Работа исследователей из Аризоны меняет вектор развития эволюционной биологии. Она доказывает, что генетический код не был случайным набором веществ, доступных в первичной среде. Его формирование было жестко обусловлено физико-химическими свойствами молекул и необходимостью создания эффективных каталитических центров.
Главные выводы исследования:
- Молекулярная масса является определяющим фактором ранней интеграции аминокислот.
- Сера и металлы стали основой биологического катализа намного раньше, чем предполагали классические модели.
- Глутамин, напротив, был добавлен в код на последних этапах, что подтверждается сложностью механизмов его встраивания в транспортные РНК.
Если порядок формирования генетического кода определяется фундаментальными свойствами материи (массой и способностью к катализу), то можно ожидать, что на других планетах жизнь будет использовать схожий набор строительных блоков. Поиск внеземных организмов теперь может быть сфокусирован на обнаружении конкретных серосодержащих и металлозависимых биохимических сигнатур, которые, как выяснилось, являются наиболее древними признаками жизни.
Источник:Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)