Может ли предок всего живого быть размером в 45 нуклеотидов? Найден механизм спонтанного возникновения жизни

Как возникла первая самовоспроизводящаяся биологическая система? Чтобы молекулярная эволюция могла начаться, необходим механизм копирования генетической информации — репликация. В современной клетке этим занимаются сложные белковые машины. В гипотетическом мире РНК, предшествовавшем появлению белков, эту функцию должны были выполнять сами молекулы РНК, действующие как ферменты (рибозимы).

Тут мы и встречаем противоречие, известное как парадокс Эйгена. Для точного копирования информации необходим сложный и длинный рибозим. Но вероятность случайной сборки длинной и функциональной молекулы из хаотического набора химических элементов ничтожно мала. Получается замкнутый круг: чтобы начать эволюционировать, нужна сложность, но чтобы достичь сложности, нужна эволюция.

Группа исследователей из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже под руководством Эдоардо Джанни и Филиппа Холлигера опубликовала результаты работы, которая может помочь разобраться в противоречии. Они обнаружили и описали рибозим QT45, который обладает активностью РНК-полимеразы при длине всего в 45 нуклеотидов. Это открытие полностью меняет представления о минимально необходимой сложности для запуска жизни.

Проблема размерности в пребиотической химии

До сегодняшнего дня все известные науке рибозимы-полимеразы (молекулы, способные копировать другие РНК) представляли собой большие структуры длиной от 150 до 200 нуклеотидов. С точки зрения статистики, спонтанное возникновение такой последовательности в первичном океане — событие практически невероятное. Пространство вариантов для последовательности длиной 200 нуклеотидов составляет 4²⁰⁰. Это число превышает количество атомов в наблюдаемой Вселенной.

Следовательно, должен существовать промежуточный этап: более простые и короткие молекулы, способные выполнять примитивные функции копирования. Однако поиск таких молекул долгое время не приносил результатов. Считалось, что короткие цепочки РНК не могут сформировать устойчивую третичную структуру, необходимую для катализа химических реакций.

Используя методы селекции in vitro из огромных библиотек случайных последовательностей, исследователи выделили молекулу QT45. Она в четыре раза короче ранее известных аналогов, но при этом сохраняет способность катализировать синтез РНК. Более того, анализ показал, что критически важный для катализа центр занимает всего около 30 нуклеотидов, а остальные 15 выполняют структурную функцию. Вероятность случайного возникновения такого мотива в триллионы раз выше, чем для длинных рибозимов.

Механизм действия: переход от мономеров к триплетам

Фактором, позволившим сократить размер рибозима без потери функциональности, стало изменение субстрата реакции. Современные ферменты строят цепочки РНК, присоединяя по одному нуклеотиду (мономеру) за раз. Это требует высокой точности позиционирования и сложного механизма контроля, который короткая молекула обеспечить не может.

Вместо одиночных нуклеотидов QT45 использует триплеты — короткие блоки из трех нуклеотидов (например, GCG или UAC). Это решение имеет физико-химическое обоснование:

1. Термодинамическая стабильность: связывание трех нуклеотидов с матрицей гораздо прочнее, чем связывание одного. Это позволяет удерживать компоненты реакции вместе достаточно долго для образования химической связи, даже если сам фермент не обладает сложной системой захвата субстрата.
2. Структурная жесткость: триплеты, будучи уже сформированными мини-спиралями, помогают преодолевать стерические препятствия. Это особенно важно при копировании структурированных участков РНК, которые склонны сворачиваться сами на себя.

Для повышения эффективности реакции авторы использовали условия, имитирующие одну из моделей возникновения жизни: замораживание в эвтектической фазе льда. При замерзании воды молекулы РНК и соли вытесняются в микроскопические каналы с незамерзшей жидкостью. Это приводит к сильному повышению концентрации реагентов и стабилизации РНК-структур, что позволяет рибозиму работать эффективнее.

Полный цикл репликации и проблема ингибирования

Главным критерием живой молекулы является способность создать собственную копию. Этот процесс состоит из двух стадий. Сначала рибозим (плюс-цепь) должен использовать себя или своего соседа в качестве матрицы для создания комплементарной копии (минус-цепи). Затем эта минус-цепь должна послужить матрицей для восстановления исходной плюс-цепи.

В эксперименте QT45 успешно справился с обеими задачами.

1. Синтез минус-цепи: рибозим с высокой точностью (около 94%) синтезировал комплементарную копию полной длины, используя пул из всех возможных 64 триплетов.
2. Синтез плюс-цепи: используя полученную минус-цепь как матрицу, рибозим смог воссоздать исходную последовательность QT45.

Здесь исследователи столкнулись с проблемой любой саморепликации — ингибированием продуктом. В термодинамическом равновесии плюс-цепь и минус-цепь стремятся соединиться друг с другом, образуя неактивный двойной спиральный дуплекс. Эта связь настолько прочна, что рибозим не может получить доступ к матрице для работы. Дуплекс становится химическим тупиком.

QT45 обходит это благодаря динамике взаимодействия триплетов. Поскольку реакция идет не сплошной длинной цепью, а короткими блоками, система находится в состоянии динамического равновесия. Рибозим успевает встроиться и провести реакцию лигирования (сшивания) триплетов до того, как матрица будет полностью заблокирована комплементарной цепью. Для завершения синтеза плюс-цепи потребовалось лишь одно дополнительное условие — добавление в смесь одного гексамера (блока из 6 нуклеотидов) для прохождения сложного участка.

Точность копирования и порог ошибок

Для дарвиновской эволюции критически важна точность передачи информации. Если количество ошибок при копировании превышает определенный предел (порог ошибок), информация вырождается в шум, и вид исчезает. Этот предел напрямую зависит от длины генома: чем короче геном, тем больше ошибок он может простить при репликации.

Точность копирования QT45 составляет в среднем 93-94% на нуклеотид. Для длинного генома такая точность была бы фатальной. Однако для сверхкороткого генома в 45 нуклеотидов этого достаточно, чтобы удерживаться в пределах порога ошибок Эйгена. Это означает, что популяция таких рибозимов способна не просто существовать, но и поддерживать свою идентичность на протяжении поколений, допуская при этом вариативность, необходимую для естественного отбора.

Рекомбинация как двигатель прогресса

В ходе экспериментов было обнаружено еще одно важное свойство QT45. Помимо матричного синтеза, рибозим способен катализировать реакции рекомбинации — сшивание фрагментов РНК без строгого следования матрице. В классической молекулярной биологии это часто рассматривается как побочный эффект, однако в контексте происхождения жизни это мощнейший инструмент.

Рекомбинация позволяет объединять удачные мутации из разных молекул в одну и избавляться от накопленных вредных мутаций. Это механизм, позволяющий преодолеть эффект, известный как «храповик Мёллера» (необратимое накопление вредных мутаций в бесполых популяциях). Способность QT45 к рекомбинации ускоряет перебор вариантов в пространстве последовательностей, приближая момент появления более сложных и эффективных рибозимов.

Заключение: новая архитектура происхождения жизни

Работа Джанни и Холлигера не создает искусственную жизнь в пробирке, но устраняет одно из теоретических препятствий на пути к ее пониманию. Открытие QT45 доказывает, что функциональная сложность не является линейной функцией длины молекулы.

Мы получили экспериментальное подтверждение того, что:

1. Очень короткие последовательности РНК (около 45 нуклеотидов) могут обладать сложной ферментативной активностью.
2. Использование олигонуклеотидных блоков (триплетов) вместо мономеров снижает требования к сложности фермента.
3. Точность копирования таких примитивных систем достаточна для запуска первичной эволюции.

Так что, пропасть между химической эволюцией (образованием случайных олигомеров) и биологической эволюцией (появлением самореплицирующихся геномов) оказалась не такой широкой, как предполагалось. Молекулярный механизм, способный запустить процесс жизни, достаточно прост, чтобы возникнуть в результате естественных геохимических процессов.

Источник:bioRxiv