Scisne?

Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни

С. Григорович

Комментарии: 0
На самой ранней заре своей истории, когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Почему светят Солнце и Луна? Почему текут реки? Как устроен мир? Безусловно, одним из самых главных был вопрос о сути живого. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.

На каждом этапе истории люди предлагали свое решение загадки появления жизни на нашей планете. Древние, не знавшие слова "наука", находили для неизвестного простое и доступное объяснение: "Все, что есть вокруг, было когда-то и кем-то создано". Так появились боги.

Со времен зарождения древних цивилизаций в Египте, Китае, затем и в колыбели современной науки — Греции, вплоть до Средних веков, основным методом познания мира служили наблюдения и мнения "авторитетов". Постоянные наблюдения однозначно свидетельствовали, что живое при соблюдении определенных условий появляется из неживого: комары и крокодилы — из болотной тины, мухи — из гниющей пищи, а мыши — из грязного белья, пересыпанного пшеницей. Важно лишь соблюсти определенную температуру и влажность.

Европейские "ученые" Средневековья, опираясь на религиозную догму о сотворении мира и непостижимости божественных замыслов, считали возможным спорить о зарождении жизни только в рамках Библии и религиозных писаний. Суть сотворенного Богом невозможно постичь, а можно лишь "уточнить", пользуясь сведениями из священных текстов или находясь под влиянием божественного вдохновения. Проверять гипотезы в то время считалось плохим тоном, и всякая попытка подвергнуть сомнению мнение святой церкви рассматривалась как дело небогоугодное, ересь и святотатство.

Познание жизни топталось на месте. Вершиной научной мысли в течение двух тысяч лет оставались достижения философов Древней Греции. Наиболее значимыми из них были Платон (428/427 — 347 гг. до н. э.) и его ученик Аристотель (384 — 322 гг. до н. э.). Платон в числе прочего предложил идею одушевления изначально неживой материи благодаря вселению в нее бессмертной нематериальной души — "психеи". Так появилась теория самозарождения живого из неживого.

Великое для науки слово "эксперимент" пришло с эпохой Возрождения. Две тысячи лет понадобились для того, чтобы человек решился усомниться в непреложности авторитетных утверждений ученых древности. Одним из первых смельчаков, известных нам, стал итальянский врач Франсиско Реди (1626 — 1698). Он провел чрезвычайно простой, но эффектный опыт: поместив в несколько сосудов по куску мяса, одни из них накрыл плотной тканью, другие — марлей, а третьи оставил открытыми. Тот факт, что личинки мух развивались только в открытых сосудах (на которые могли садиться мухи), но не в закрытых (к которым все же был доступ воздуха), резко противоречил верованиям сторонников Платона и Аристотеля о непостижимой жизненной силе, носящейся в воздухе и превращающей неживую материю в живую.

Этот и подобные ему опыты положили начало периоду ожесточенных сражений между двумя группами ученых: виталистами и механистами. Суть спора состояла в вопросе: "Может ли функционирование (и появление) живого быть объяснено физическими законами, применимы ми также и к неживой материи?" Виталисты отвечали на него отрицательно. "Клетка — только из клетки, все живое — только от живого!" Это положение, выдвинутое в середине XIX века, стало знаменем витализма. Самое парадоксальное в этом споре то, что даже сегодня, зная о "неживой" природе составляющих наш организм атомов и молекул и в общем согласившись с механистической точкой зрения, ученые не имеют экспериментального подтверждения возможности зарождения клеточной жизни из неодушевленной материи. Никому еще не удалось "составить" даже самую примитивную клетку из "неорганических", присутствующих вне живых организмов, "деталей". А значит, окончательную точку в этом эпохальном споре еще предстоит поставить.

Так как же могла возникнуть жизнь на Земле? Разделяя позиции механистов, легче всего конечно же представить, что жизнь сначала должна была возникнуть в какой-нибудь очень простой, примитивно устроенной форме. Но, несмотря на простоту строения, это все же должна быть Жизнь, то есть то, что обладает минимальным набором свойств, отличающих живое от неживого.

Каковы же они, эти критически важные для жизни свойства? Что, собственно, отличает живое от неживого?

Русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864-1920), основоположник вирусологии.
Русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864-1920), основоположник вирусологии.

До конца XIX века ученые были убеждены, что все живое построено из клеток, и это является самым очевидным отличием его от неживой материи. Так считали до открытия вирусов, которые, хотя и меньше всех известных клеток, могут активно заражать другие организмы, размножаться в них и производить потомство, обладающее такими же (или очень похожими) биологическими свойствами. Первый из обнаруженных вирусов, вирус табачной мозаики, описан русским ученым Дмитрием Ивановским (1864-1920) в 1892 году. С той поры стало ясно, что более примитивные создания, чем клетки, могут также претендовать на право называться Жизнью.

Первый вирус, описанный Д. Ивановским в 1892 году, — вирус табачной мозаики. Благодаря этому открытию стало ясно, что существуют живые создания более примитивные, чем клетка.
Первый вирус, описанный Д. Ивановским в 1892 году, — вирус табачной мозаики. Благодаря этому открытию стало ясно, что существуют живые создания более примитивные, чем клетка.

Открытие вирусов, а затем и еще более примитивных форм живого — вироидов позволило в итоге сформулировать минимальный набор свойств, которые необходимы и достаточны, чтобы исследуемый объект можно было назвать живым. Во-первых, он должен быть способен к воспроизводству себе подобных. Это, однако, не единственное условие. Если бы гипотетическая первородная субстанция жизни (например, примитивная клетка или молекула) была способна лишь просто производить свои точные копии, она в итоге не смогла бы выжить в меняющихся условиях окружающей среды на молодой Земле и образование других, более сложных форм (эволюция) стало бы невозможным. Следовательно, нашу предполагаемую примитивную "субстанцию первожизни" можно определить как нечто, устроенное максимально просто, но при этом способное изменяться и передавать свои свойства потомкам.

Что же может претендовать на звание такой "первичной жизненной субстанции"? Совершим еще один небольшой исторический экскурс, чтобы посмотреть, как сменялись "фавориты", претендовавшие на звание первожизни.

КАНДИДАТЫ В МОЛЕКУЛЫ ПЕРВОЖИЗНИ

Чтобы понять, как устроена жизнь, в первую очередь необходимо было установить, из каких компонентов состоит живая материя и что ее в этом отношении отличает от материи неживой. Затем требовалось определить, какие из этих компонентов отвечают за самое важное свойство живого — передачу наследственных свойств от родителей потомкам.

Конечно, в наше время бурного развития биологии ответы на эти вопросы кажутся яснее ясного, однако всего несколько десятилетий назад ученым пришлось немало поломать над ними головы.

Тот факт, что живая материя отличается от неживой по составу, был очевиден уже для естествоиспытателей древности. Все живое более хрупко и неустойчиво — отмечали они. Если сильно нагреть что-либо неживое — воду или камень, они после остужения снова превращают ся в исходную форму. Если то же проделать с живым — оно либо меняется, либо разрушается. Какие же вещества определяют эту существенную разницу?

В течение примерно сотни лет химики накапливали знания о структуре жизни. Обобщил эти познания английский физиолог Уильям Прут. В 1827 году он впервые назвал три основные группы веществ, которые отличают живую материю: углеводы (карбогидраты), жиры (липиды) и белки (протеины).

Белки оказались наиболее сложно устроенными молекулами жизни. Кроме углерода, кислорода и водорода белки содержат значительные количества азота и серы, а некоторые из них способны прочно удерживать атомы определенных металлов, таких, как цинк или железо. Неудивительно, что именно белки привлекли особое внимание исследователей жизни, и не только потому, что они так сложно устроены. Вскоре произошли открытия, позволившие считать белки центральной, самой важной из всех "жизненных" молекул.

Одна из характерных черт живого — подвижность — привлекала внимание человека задолго до открытия белков. В XVII-XVIII веках ученые выяснили, что причина этого в химических реакциях, которые в организме идут значительно быстрее, чем в неживой природе. Углекислый газ и вода в клетках растений быстро превращаются в сахара, белки и жиры, а те, будучи съедены животными, позволяют им быстро двигаться и строить новые белки, сахара и жиры для собственных клеток.

Постепенно становилось понятным, что какой-то механизм ускоряет химические реакции в живой материи и делает ее резко отличной от всего неживого. Вещества, способные ускорять химические реакции, — катализаторы (от греческого слова, означающего "разрушение") были известны еще с XVIII века. Они, хотя и остаются неизменными в конце реакции, обладают способностью ее многократно ускорять. Химики предположили, что по аналогии с превращениями неорганических веществ такие же катализаторы могут присутствовать и в живых тканях, ускоряя процессы метаболизма. Гипотеза блестяще подтвердилась в 1833 году, когда французский химик Ансельм Пайен (1795-1871) выделил из проросшего зерна вещество, которое он назвал "диастаз". Диастаз обладал свойствами превосходного катализатора: в его присутствии крахмал из зерен разлагался на простые сахара во много раз быстрее.

Как вы уже, наверное, догадались, и диастаз, и великое множество биологических катализаторов, открытых после него, оказались белками. Им было дано специальное название — ферменты (или энзимы), что переводится с двух великих древних языков, латинского и греческого, одинаково — "закваска".

С момента обнаружения этих замечательных свойств молекула белка поднялась на недосягаемую высоту и стала считаться "эссенцией жизни". Неудивительно, что именно белок стал первым кандидатом на звание прародителя всех организмов. Без белка немыслима жизнь, а значит, как казалось ученым, немыслимо и само ее зарождение.

В 1924 году А. И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что в атмосфере молодой Земли, состоявшей из водорода, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды, могли синтезироваться аминокислоты
В 1924 году А. И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что в атмосфере молодой Земли, состоявшей из водорода, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды, могли синтезироваться аминокислоты

Окончательно такие представления о "белково-клеточных" истоках жизни оформились в теории, созданной в 20-х годах XX века советским биохимиком А. И. Опариным и английским исследователем Дж. Холдейном. Они предположили, что в условиях молодой Земли, где, по современным представлениям, атмосфера состояла из метана, углекислого газа, циановодорода, молекулярного водорода и была насыщена парами воды, могли спонтанно образовываться аминокислоты — основные структурные молекулы, из которых состоят все белки. Представить такой процесс несложно: ведь аминокислоты достаточно просты по строению (забегая вперед, скажем, что возможность образования аминокислот из неорганических компонентов была впоследствии подтверждена эксперимен тально). Затем, по мысли авторов гипотезы, такие аминокислоты могли объединяться, образуя короткие молекулы белков. Те, в свою очередь, "склеиваясь" друг с другом, образовывали сгустки (коацерваты), свободно плавающие в первобытном океане. Такие коацерваты, возможно, могли расти, и от них могли отделяться дочерние коацерваты. При этом наверняка у некоторых из белковых молекул могли проявляться свойства ферментов. Таким образом, коацерватный сгусток явно напоминал примитивную клетку. Теория Опарина-Холдейна стала необычайно популярной.

Существовал, однако, один важнейший вопрос, на который сторонники белкового происхождения жизни долгое время закрывали глаза: как могли белки, обладающие полезными свойствами ферментов, хранить и передавать информацию об этих полезных свойствах другим белкам? Иными словами: как мог осуществляться механизм наследственности? И здесь снова необходимо небольшое отступление в историю науки.

Опубликованный в 1859 году эпохальный труд Чарльза Дарвина "Происхождение видов путем естественного отбора" указал на особую важность процессов изменчивости и наследственности в эволюции живого. Тут же начались интенсивные поиски материальных носителей этих механизмов. Что определяет "признак", например цвет глаз, кожи или волос у животных? Почему дети похожи на своих родителей? Почему, благодаря какому механизму сохраняются и передаются свойства клеток и целых организмов?

В 40-х годах XIX века Маттиас Шлейден, один из отцов положения об универсальности клеточного строения всего живого, не имея в своем распоряжении достаточно хороших линз для микроскопа, описывал образование дочерней клетки как "отпочковывание" ее от ядра клетки-родительницы. Хотя это наблюдение было вскоре признано неверным, авторитет Шлейдена заставил ученых вниматель нее изучить процессы, происходящие в ядре клеток. В 70-х годах того же XIX века немецкий цитолог Уолтер Флемминг заметил, что при окрашивании клетки одним из синтетических красителей внутри ядра можно обнаружить пятна, окрашенные гораздо сильнее, чем окружающее вещество. Флемминг назвал окрашенную субстанцию хроматином (от греческого слова "цвет" или "цветной"). В процессе клеточного деления строение хроматина менялось: он распадался на ряд хорошо видных отдельных телец, названных хромосомами. В самом начале XX века американский биолог Уолтер Саттон обнаружил, что поведение хромосом хорошо согласуется с распределением наследственных признаков, как их описал основоположник генетики Грегор Мендель: каждый вид характеризуется строго определенным числом хромосом, которое сохраняется у потомков; при половом размножении в дочернюю клетку всегда попадает одна хромосома от отца и одна от матери.

Постепенно становилось ясно, что именно в хромосомах следует искать "материал наследствен ности". Что же он собой представляет?

В конце XIX века было показано, что и хроматин и хромосомы состоят из белков и молекул нуклеиновых кислот (от слова "нуклеус" — ядро). Как мы уже знаем, незадолго до Дарвина были открыты удивительные свойства белков, поэтому не приходится удивляться, что из двух возможных претендентов на звание носителя наследственности ученый мир, нимало не сомневаясь, выбрал белки. На некоторое время именно белки в хромосомах стали считать ответственными за передачу наследственных признаков. Отчасти это объясняет и выбор белков как носителей информации в теории Опарина и Холдейна: ведь истинный "носитель" в момент создания теории еще не был найден.

Положение кардинально изменилось лишь в 1944 году, когда ученые под руководством американского бактериолога Освальда Эвери в опытах с бактериями убедительнейшим образом продемонстрировали, что именно нуклеиновые кислоты (в данном случае дез-оксирибонуклеиновая кислота, ДНК) отвечают за передачу наследственных свойств. Белки были лишены звания "молекул жизни" и низведены до немного обидного положения "прислуги за все". Началась эра молекулярной биологии.

Американский биолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал в опытах с бактериями, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственных свойств.
Американский биолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал в опытах с бактериями, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственных свойств.

В 1953 году английские ученые Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс открыли способ укладки ДНК, давший ключ к пониманию принципа передачи генетической информации. Молекула ДНК оказалась очень длинной (по масштабам клетки) двухнитчатой спиралью, закрученной вокруг своей оси. Когда клетке необходимо разделиться, она непосредственно перед этим копирует молекулы ДНК в своих хромосомах. При этом две нити ДНК расходятся, и на каждой из них, как на матрице, собирается дочерняя нить, в точности повторяющая ту, что была соединена с данной нитью в родительской клетке. В итоге появляются две идентичные дочерние хромосомы, которые при делении распределяются по разным клеткам. Так происходит передача наследственных признаков от родителей потомкам у всех клеточных организмов, имеющих ядро.

Итак, если ДНК играет ключевую роль для живого, почему бы не предположить, что именно она была той молекулой, которая и дала начало самой жизни? Если так, то ДНК должна соответствовать "минимальному набору критериев живого": хранить и передавать информацию о своей структуре и происходящих в ней изменениях в ряду генераций (поколений).

Что же на самом деле умеет ДНК? Опыты Эвери показали, что с помощью ДНК можно передать какое-либо новое, нехарактерное для данного организма свойство. Но как это происходит внутри клетки? Какая информация и каким образом "закодирована" внутри ДНК? Как она может "считываться" и распределяться по всей клетке?

Конечно, зная уже достаточно о ключевой роли белков в клетке, ученые с самого начала догадывались, что в ДНК записана информация именно о белках. Основным местом сборки белков служат рибосомы — специально предназначенные для этой цели структуры в цитоплазме клетки. Рибосомы, как было известно, не связываются с ДНК напрямую. Как же информация с ДНК может проникнуть к рибосомам?

Очевидно, для этого необходима какая-то другая молекула — посредник между ДНК и белками. В 60-х годах ХХ века загадка молекулы_посредника была решена. Ею оказалась молекула, родственная ДНК и названная рибонуклеиновой кислотой (РНК).

Сравнительная структура РНК и ДНК.
Сравнительная структура РНК и ДНК.

Обе нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследствен ной информации. А наиболее полную информацию об их химическом строении получил Фабус Арон Теодор Левин (1869-1940), американский ученый, родившийся в России и получивший образование в Петербурге.

"Несущей конструкцией" у обеих кислот является так называемый "сахарофосфатный остов", который у ДНК похож на перила спирально закрученной лестницы. Он состоит из остатков сахаров, соединенных между собой в цепочку с помощью остатков фосфорной кислоты. Именно эта конструкция скрепляет и поддерживает структуру молекулы нуклеиновой кислоты.

К молекулам сахаров остова прикреплены азотистые "основания", которые расположены как ступени лестницы (внутри от "перил"). Именно благодаря взаимодействиям между атомами водорода, азота и кислорода азотистых оснований одиночные цепочки ДНК могут объединяться в двухцепочечные структуры.

Нуклеиновые кислоты синтезируются в клетке из нуклеотидов — комплексов азотистого основания, сахара и остатков фосфорной кислоты, служащих универсальными блоками для построения ДНК и РНК. Существуют пять видов азотистых оснований — аденин (обозначаемый на схемах буквой А), тимин (Т), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U). Особенностью взаимодействий оснований, благодаря которым они могут формировать двухцепочечные нити, является их строгая специфичность: А может взаимодействовать только с Т, а G — с С (такое точное соответствие оснований и нитей ДНК называют комплементарностью, а сами нити и основания — комплементарными друг другу).

Отличия между РНК и ДНК сводятся к тому, что в состав сахарофосфатного остова РНК входит сахар рибоза, тогда как у ДНК рибоза "теряет" один атом кислорода и превращается в дезоксирибозу. Кроме того, вместо тимина (Т) в состав РНК входит урацил (U). Урацил отличается от тимина почти так же мало, как рибоза от дезоксирибозы: у него отсутствует лишь боковая метиловая группа (–СН3). Однако такие минимальные отличия в строении РНК и ДНК ведут к существенной разнице в структуре и функциях этих молекул.

Одно из наиболее очевидных различий состоит в том, что РНК большинства организмов, в отличие от двухнитчатой ДНК, существует в виде одной нити. Объясняется это двумя причинами. Во-первых, у всех клеточных организмов отсутствует фермент для катализа реакции образования РНК на матрице РНК. Такой фермент есть лишь у некоторых вирусов, гены которых "записаны" в виде двухнитчатой РНК. Остальные организмы могут синтезировать молекулы РНК только на ДНК-матрице. Во-вторых, из-за потери метильной группы урацилом связь между ним и аденином получается малоустойчивой, поэтому "удержание" второй (комплементарной) нити для РНК также является проблемой.

В силу вынужденной однонитчатости РНК, в отличие от ДНК, не закручивается в спираль, а благодаря взаимодействиям внутри одной и той же молекулы образует структуры типа "шпилек", "головки молотка", петель, крестов, клубков и прочего.

РНК копируется с ДНК по тем же законам, которые управляют синтезом самой ДНК: каждому основанию ДНК соответствует строго комплементарное основание в строящейся молекуле РНК. Однако, в отличие от копирования ДНК, когда копированию (репликации) подвергается вся молекула, РНК копирует лишь определенные участки на ДНК. В подавляющем большинстве эти участки являются генами, кодирующими белки. Для нашего рассказа важно, что благодаря такому выборочному копированию молекулы РНК всегда короче, а у высших организмов гораздо короче своих "сестер" — ДНК. Также важно то, что ДНК в водных растворах более устойчива, чем РНК. Различия во времени их полужизни (то есть времени, за которое разрушается половина данного количества молекул) составляют тысячи раз.

Итак, к середине 60-х годов ХХ века науке стали известны подробности функционирования двух молекул, которые более, чем белки, подходили для роли "молекул первожизни", — ДНК и РНК. Обе они кодируют генетическую информацию, и обе могут использоваться для ее переноса. Но одно дело — возможность нести информацию, и совершенно другое — способность передавать ее потомкам самостоятельно, без посторонней помощи. Во всех современных живых системах, от вирусов до высших животных, ДНК или РНК "пользуются услугами" белков-ферментов для того, чтобы быстро и эффективно, с помощью катализа, передавать свою закодированную информацию в ряду поколений. Ни одна из нуклеиновых кислот в современном мире не может копировать себя самостоятельно. Могла ли такая же кооперация существовать при зарождении жизни на Земле? Как образовалась триада сотрудничающих молекул — ДНК, РНК и белков, на которой построена вся современная жизнь? Кто и почему мог стать "прародителем" этих трех "молекулярных китов"?

МИР РНК

Мы остановились на деталях строения РНК неслучайно. В конце ХХ века произошел очередной переворот в теории возникновения жизни, "виновницей" которого как раз и стала эта молекула, до того времени казавшаяся тщательно изученной и достаточно предсказуемой.

Началась эта история в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены необычные ферменты: они включали в свой состав кроме белка еще и молекулу РНК. В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав. Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата (то есть той молекулы, которая и подвергается изменению), а саму катализируемую реакцию выполняет белок.

Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.

Но, может быть, все дело в неэффективной очистке РНК, при которой на ней все же остается какой-то неуловимый, минимальный кусочек белка, способный осуществлять катализ?

Последним, самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию.

Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами (по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами). За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии.

Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: "фаворитом" стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить.

Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения (репликации). Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции.

Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena.
Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena.

Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы — структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков — соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы — структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, — появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков.

Схематическое изображение рибосомы — молекулярной машины для синтеза белка.
Схематическое изображение рибосомы — молекулярной машины для синтеза белка.

Совсем недавно были сделаны наблюдения, приведшие к еще одной сенсации. Оказывается, РНК не только катализирует химические реакции, но и защищает клетки растений и низших животных от вторжения вирусов. Эту функцию выполняет особый класс РНК — так называемые короткие, или малые, РНК, названные так потому, что их длина обычно не превышает двадцати одного "звена"-нуклеотида. У высших животных, например у млекопитающих, малые РНК также не остаются без работы и могут участвовать в регуляции считывания генной информации с хромосом. (Подробнее о малых РНК, открытие которых в 2002 году, по мнению одного из ведущих научных журналов — "Science", стало "прорывом года", можно почитать на сайте российской Научной Сети www.nature.ru.)

Как видим, имеется много достаточно веских теоретических доводов, чтобы считать молекулу РНК основоположницей жизни на Земле. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт, придумавший в свое время один из первых методов "побуквенного чтения" (секвенирования) ДНК, ввел в оборот выражение "мир РНК", имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни.

Однако все ли так безоблачно и ясно в гипотезе о "мире РНК"? Ситуация перестанет казаться столь однозначной, как только мы немного углубимся в детали…

МИР РНК И ЭВОЛЮЦИЯ В ПРОБИРКЕ

Основой, доказательной базой современной биологии служит эксперимент. Но как доказать экспериментально существование процессов, происходивших на Земле миллиарды лет назад? И как восстановить ход эволюции за все это необозримое время? Пока наука не имеет в своем распоряжении машины времени, чтобы перенестись на четыре миллиарда лет назад. Ставить эксперимент протяженностью даже в несколько миллионов лет также вряд ли кому придет в голову. Поэтому ученые в своих гипотезах о происхождении жизни вынуждены использовать лишь косвенные данные, полученные физиками, геологами, математиками, биологами и палеонтологами при изучении развития Земли и Солнечной системы в целом.

Опираясь на наиболее правдоподобную версию о распределении на ранней Земле химических элементов и веществ, ее климате, ученые строят догадки и компьютерные модели тех процессов, которые могли привести к образованию первых биологических молекул. А иногда им даже удается проверить свои предположения на практике.

Что же необходимо доказать, чтобы построить теорию возникновения жизни на ее молекулярном (доклеточном) этапе? Перечислим некоторые наиболее важные вопросы.

Во-первых, важно знать, возможно ли было в условиях молодой Земли спонтанное образование основных "строительных блоков" нуклеиновых кислот — нуклеотидов. Далее, в случае гипотезы РНК-мира, следует доказать, что возникшие нуклеотиды были способны иногда спонтанно объединяться в небольшие цепочки — олигонуклеотиды. Затем хорошо бы продемонстрировать, что у некоторых из таких цепочек может появиться каталитическая активность, причем самое главное, чтобы это была способность копировать (воспроизводить) самих себя. Рассмотрим все эти вопросы по порядку.

Большинство ученых сейчас сходятся во мнении, что около четырех миллиардов лет назад атмосфера Земли представляла собой в основном смесь паров воды, метана, углекислого газа, водорода и аммиака. Из-за отсутствия кислорода ультрафиолетовое излучение Солнца было тогда гораздо интенсивнее современного, так как на его пути не было защитного озонового слоя (озон — продукт реакций молекул кислорода между собой). Как предположили ученые, перечисленных химических компонентов могло быть вполне достаточно, чтобы под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения или электрических разрядов проходили химические реакции.

В 1953 году американский исследователь Стенли Миллер поставил несложный эксперимент. В собранной им установке он создал условия, схожие с атмосферой молодой Земли. Пропуская через полученную газово-водяную смесь электрические разряды, Миллер обнаружил, что через несколько суток образовалось множество органических молекул и, что самое важное, среди них присутствовали сахара и простейшие аминокислоты. Через несколько лет было показано, что при добавлении в газовую смесь цианидов (которые также вполне могли присутствовать в атмосфере молодой Земли) можно получить и азотистые основания, участвующие в построении нуклеотидов. Таким образом была экспериментально продемонстрирована возможность синтеза "исходного материала" для нуклеиновых кислот и белков.

В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли.
В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли.

Однако у подобных экспериментов есть несколько "узких мест", споры по которым не утихли до сих пор. Во-первых, некоторые ученые сомневаются в том, что относительно высокие концентрации цианидов и метана, применявшиеся в экспериментах Миллера и его последователей, могли быть достижимы в условиях молодой Земли. Во-вторых, количество сахара рибозы, производимой в ходе таких опытов и совершенно необходимой для построения РНК, было ничтожно мало. В-третьих, кроме "нормальных" азотистых оснований и сахаров получались и побочные продукты, которые могли мешать образованию "стандартных" нуклеотидов и молекул РНК.

Последователи теории РНК-мира пытаются усовершенствовать реакции и подобрать условия, позволяющие преодолеть указанные недостатки. Например, удалось добиться, чтобы именно рибоза являлась преобладающим сахаром в продуктах одной из таких модифицированных реакций.

Некоторые продукты, полученные в опытах Стенли Миллера

Следующее уязвимое место теории — возможность образования нуклеотидов из азотистых оснований, рибозы и фосфатов. Оказалось, что эффективность таких реакций и вероятность случайного синтеза "правильных" нуклеотидов очень мала.

Но допустим, что каким-то образом благодаря особым условиям, существовавшим на первобытной Земле, эти препятствия могли быть преодолены и в распоряжении Природы имелся достаточный запас нуклеотидов. Могли ли они спонтанно объединяться в хотя бы небольшие, короткие отрезки нуклеиновых кислот? Эксперименты свидетельствуют, что в водной фазе такое событие чрезвычайно маловероятно. И даже если это происходит, большинство таких коротких цепочек неверно строит свой сахарофосфатный остов.

Выходом из данной ситуации, как считают, мог стать так называемый твердофазный синтез, когда реакции объединения нуклеотидов в цепочки проходят не в растворе, а на поверхности какого-либо твердого вещества. Так, к слову, проводят искусственный синтез цепочек олигонуклеотидов для научных и медицинских целей. На первобытной Земле возможные кандидаты для "твердой фазы" — минеральные породы в глубине океана, такие, как карбонат кальция, каолинит, цеолиты, монтмориллонит. Твердая минеральная подложка не только способствует правильной ориентации нуклеотидов относительно друг друга, но и стабилизирует структуру образующегося олигонуклеотида. Кроме того, минеральные породы, возможно, могли активно накапливать нуклеотиды и образующиеся цепочки, позволяя им тем самым чаще встречаться и вступать в химические реакции.

Как показали результаты исследований, в таких условиях короткие цепочки могли объединяться в более длинные, состоящие из 20-30 звеньев, а это уже давало основание для опять-таки случайного, некаталитического образования первых рибозимов. Какими же свойствами должен был обладать первый появившийся РНК-фермент? Как раз на этом этапе ученых подстерегало еще одно труднопреодолимое препятствие.

Хотя выяснить, как все происходило на самом деле, нам вряд ли удастся, можно с уверенностью полагать, что основным свойством появившихся рибозимов должна была быть способность к ферментативному воспроизводству (копированию) окружавших их молекул РНК. В этом случае многократно повышалась бы скорость синтеза (а значит, и концентрация в окружающей среде) молекул РНК. Из некоторых впоследствии могли получиться рибозимы с другими полезными для эволюции свойствами, например со способностью к направленному синтезу нуклеотидов или аминокислот. Копируя все (или некоторые) молекулы РНК, такой ключевой рибозим (он называется РНК-репликазой) мог бы воспроизводить и собственные копии. Таким образом мог возникнуть самодостаточный и самовоспроизводимый мир РНК. Однако доказать такую возможность оказалось очень непросто.

Дело в том, что первые рибозимы, открытые Чеком и Альтманом, могли производить лишь одну операцию: вырезание и сшивку определенных участков в… самих себе. Эта процедура критически необходима для процесса так называемого "созревания РНК", в детали которого мы здесь не станем углубляться. Через несколько лет ученые продемонстрировали способность рибозимов к соединению аминокислот в белках, о которой мы уже упомянули выше. Однако сколько ни бились последователи теории РНК-мира, выделить из клеток или вирусов рибозим, который мог бы копировать РНК, не удалось. И хотя копирование РНК на РНК-матрице существует у некоторых вирусов, за эту реакцию отвечают только белки. Как же доказать, что РНК когда-то тоже была способна к копированию самой себя?

На помощь ученым пришла идея искусственного отбора. Подобно селекционерам животных и растений, они научились "обучать" молекулы РНК не характерным для природных рибозимов способностям и из тысяч и миллионов различных молекул РНК отбирать те, которые лучше справляются с поставленной задачей.

Идея метода, о котором пойдет речь, зародилась в конце 60-х годов XX века, когда в связи с открытиями бурно развивающейся молодой науки — молекулярной биологии ученые задались целью проверить справедливость эволюционных законов Дарвина для бесклеточных систем. Пионером в этом направлении стал американский ученый Сол Шпигельман, который путем искусственного отбора (в пробирке) получил организм, совершенно не похожий на своего "родителя".

Исходным организмом в данном случае служил вирус, состоявший из цепочки РНК и нескольких белков. В пробирке, где вирусу были предоставлены все необходимые компоненты для синтеза РНК, он через некоторое время изменился до неузнаваемости. То, что получилось в итоге, стали называть "шпигельманским монстром" — так разительно непохож он был на своего предка. И неудивительно: ведь у "монстра" в столь благоприятных условиях больше не было необходимости заражать клетки: все, что нужно для жизни, было у него "под рукой". Необходимость в белках, служащих для внедрения в клетку и размножения внутри нее, отпала. В результате мутаций в пробирке вирусная РНК, состоявшая изначально из 4500 нуклеотидов, укоротилась до 220, потеряв при этом все участки, кодировавшие белки вируса. Этот отрезок РНК и был тем "монстром", который накапливался в пробирке в результате высокой скорости своего копирования: ведь чем короче РНК, тем быстрее ее можно скопировать и тем больше копий получится в единицу времени.

Важным следствием эксперимента Шпигельмана было то, что вне организма, создав (или убрав) условия для изменчивости и отбора молекул РНК, можно проводить процесс, очень похожий на эволюционный. И хотя в опыте с "монстром" Шпигельман продемонстрировал скорее "деградацию" организма, последователи, развившие этот подход, назвали его методом "эволюции в пробирке" или иначе — "селекс-методом".

Схема процесса 'эволюции в пробирке' (селекс-метод).
Схема процесса 'эволюции в пробирке' (селекс-метод).

Вкратце метод в его современной постановке заключается в получении цепочки РНК, ее мутировании (изменении длины цепочки или состава нуклеотидов), отборе вариантов, которые лучше других справляются с поставленной задачей, их копировании (размножении) в пробирке и снова искусственном мутировании, после чего цикл повторяется.

В итоге нескольких таких последовательных циклов удалось получить рибозимы с множеством не свойственных им изначально функций. Самым важным открытием в этой области стали исследования американских ученых под руководством Дэвида Бартеля, который в начале текущего века получил рибозим, способный специфически катализировать копирование РНК на РНК-матрице. Сущность этого процесса состоит в следующем. К имеющейся одноцепочечной РНК сначала должен прикрепиться небольшой участок комплементарной РНК. Рибозим (репликаза) присоединя ется к одному из концов такого участка и, выждав, пока к свободному основанию на копируемой цепи подойдет комплементарный ему нуклеотид из раствора, присоединяет его к концу растущей цепи, а затем продвигается на шаг вперед. Так, шаг за шагом, на старой цепи РНК растет новая, "дочерняя" цепь. Точность и скорость копирования, осуществляемого рибозимом Бартеля, оставляли желать лучшего. Удалось копировать лишь цепочки длиной не более 14 нуклеотидов. Поэтому был предложен другой вариант работы древнейшего РНК-фермента, согласно которому он должен был уметь лишь "сшивать" концы цепочек РНК. Такая лигазная (соединяющая) активность наблюдалась уже у первых рибозимов, выделенных Чеком и Альтманом. При этом не требуется система распознава ния "правильных" нуклеотидов при их пошаговом присоединении. Все, что необходимо, — уметь образовывать связи между двумя соседними свободными концами олигонуклеотидов, оказавшихся рядом случайно или "севших" на матричную (родительскую) цепь. Этот путь развития событий кажется более простым, а значит, и более вероятным.

Еще один рибозим, созданный Бартелем, обладал способностью присоединять молекулу сахара к азотистому основанию, что необходимо для образования нуклеотида. Так была практически продемонстрирована возможность образования рибозимов, способных катализировать два важнейших этапа образовании мира РНК: синтез нуклеотидов и их цепочек. Однако, оценивая факты более пристрастно, мы снова сталкиваемся с несколькими преградами на пути такого развития событий.

Во-первых, рибозимы осуществляют реакцию присоединения нуклеотидов очень неуверенно, так что при существовавших на первых этапах предполагаемого мира РНК низких концентрациях свободных нуклеотидов и олигонуклеотидов данная реакция просто бы не могла выполняться. Затем, в первобытном океане, несомненно, в больших концентрациях присутствовали вещества, затрудняющие (ингибирующие) или даже вовсе останавливающие реакцию рибозимного синтеза РНК, такие, как, например, соли тяжелых металлов или метаболиты, схожие с нуклеотидами и способные связываться с рибозимом, но неспособные встраиваться в растущую цепь РНК. И, наконец, наиболее критическое и до сих пор не преодоленное препятствие связано с наличием зеркально-симметричных вариантов биомолекул.

С зеркальной симметрией предметов мы сталкиваемся постоянно. Стоит сравнить между собой левые и правые ладони, ступни или уши. С одной стороны, они, безусловно, похожи. С другой — если вы попробуете мысленно совместить их в пространстве (или, что нагляднее, надеть левый ботинок на правую ногу), вы поймете суть явления, называемого в химии хиральностью. Оно заключается в невозможности совместить в пространстве молекулы, состоящие из одинаковых составляющих, которые расположены в разной пространственной ориентации по отношению к центральной молекуле. Практически это означает следующее: если к какому-либо из атомов данной молекулы прикреплены по крайней мере четыре различные химические группы, то возможно существование двух хиральных (зеркально-симметричных, как ладони руки) форм этой молекулы.

Луи Пастер (1822-1895) первым обнаружил, что кристаллы одного и того же вещества — винной кислоты — могут иметь две зеркально-симметричные пространственные конфигурации.
Луи Пастер (1822-1895) первым обнаружил, что кристаллы одного и того же вещества — винной кислоты — могут иметь две зеркально-симметричные пространственные конфигурации.

Впервые явление хиральности было открыто в середине XIX века великим Луи Пастером (1822-1895). Будучи молодым двадцатипятилетним ученым, он исследовал причину отложения солей винной кислоты (называемых "тартар") на стенках винных бочек. Решая такую сугубо утилитарную задачу, Пастер неожиданно обнаружил, что при нагревании тартар теряет присущее ему свойство вращать плоскость поляризации света. Еще более он был удивлен, когда оказалось, что химический состав и физические свойства измененного тартара оставались прежними. Исследовав кристаллы соли, Пастер заметил, что некоторые из них представляют собой зеркальное отражение других. Отделив кристаллы этих двух типов друг от друга, он обнаружил, что одни из них вращают плоскость поляризации света вправо, а другие — влево. Так было впервые показано, что одно и то же вещество может существовать в двух формах с различными оптическими свойствами.

Нуклеотидам также присуще это свойство: они могут существовать в форме, вращающей свет как влево (L-форма), так и вправо (D-форма). Однако особенность всех, без исключения, современных живых организмов состоит в том, что для построения своих нуклеиновых кислот они используют исключительно D-нуклеотиды. Присутствие даже малого количества L-форм нуклеотидов ингибирует (угнетает) или вовсе блокирует работу ферментов синтеза РНК, и особенно это справедливо для рибозимов, полученных Бартелем.

Хиральные молекулы, например аминокислоты, зеркально симметричны, как левая и правая рука. Сам термин 'хиральность' происходит от греческого слова 'хирос' — рука.
Хиральные молекулы, например аминокислоты, зеркально симметричны, как левая и правая рука. Сам термин 'хиральность' происходит от греческого слова 'хирос' — рука.

Почему природа выбрала именно D-, а не L-форму? Существовала ли данная избирательность с самого начала возникновения жизни? Если она образовалась в ходе эволюции, то что служило причиной? Как стало возможно обойти негативное влияние L-форм на первых этапах каталитического синтеза РНК? Почему на Земле не смог развиться "параллельный" L-нуклеотидный мир? На все эти вопросы пока не существует внятных ответов. (Об одной из гипотез, объясняющих преобладание биомолекул определенной симметрии, см. "Наука и жизнь" № 6, 2000 г. — Ред.)

ГИПОТЕЗЫ, ГИПОТЕЗЫ, ГИПОТЕЗЫ …

Как видим, теория РНК-мира пока полна противоречий и неясностей. Многие из них, безусловно, будут разрешены в рамках "классической" гипотезы, подразумевающей, что у истоков жизни стояла РНК, какой мы ее знаем в современном виде. Однако, учитывая все сложности на пути синтеза олигонуклеотидов, изложенные выше, можно понять Фреда Хойла, известного британского астрофизика и писателя, утверждавшего, что теория РНК-мира "столь же нелепа, как и предположение о возможности сборки "Боинга 747" ураганом, пронесшимся над мусорной свалкой".

Теория РНК-мира
Теория РНК-мира

В довершение всех проблем сторонников этой теории повергли в уныние свидетельства археологов и палеонтологов, обнаруживших остатки первых примитивных клеток в слоях, относящихся к периодам от 3,5 до 3,8 млрд лет тому назад. В то же время, считают, что жизнь не могла зародиться раньше, чем 4 млрд лет назад, так как до того времени Земля интенсивно "обстреливалась" метеоритами и кометами. По более радикальным данным, "обстрел" закончился еще позже — как раз около 3,8 млрд лет назад. Таким образом, времени для развития доклеточного мира практически не оставалось. С этим уже согласились видные сторонники и основатели гипотезы РНК-мира Томас Чек и Лесли Оргел.

Чтобы как-то разрешить все противоречия, многие ученые начинают склоняться к идее, что вместо относительно сложных азотистых оснований, присущих современным нуклеиновым кислотам, их предшественницы могли использовать слегка измененные варианты молекул, более склонные к реакциям нематричного синтеза. Некоторые из них, например аминогуано зин, способны без помощи ферментов объединяться в цепочки длиной до 20 нуклеотидов, что недостижимо при использовании обычного гуанозина. Более того, прототипы современных азотистых оснований могли быть и вовсе не циклическими молекулами, что упростило бы их синтез, взаимодействие с рибозой, а также, возможно, снизило бы их способность к угнетению первых появившихся "прото-рибозимов".

Существуют также экспериментальные данные о том, что древние проторибозимы могли состоять не из четырех, а всего из двух типов нуклеотидов, что значительно повысило бы вероятность их спонтанного образования и, следовательно, сократило бы время, необходимое для перехода доклеточного мира в клеточный.

Наконец, никто пока не может опровергнуть возможность занесения первых молекул жизни на Землю из космоса. Эта довольно популярная сейчас теория панспермии утверждает, что жизнь разносится по Вселенной в виде "спор". Ими можно считать органические соединения, иногда достаточно сложного строения, следы которых найдены в упавших на Землю метеоритах. По данным астрофизиков, органические вещества в значительных количествах существуют в газово-пылевых облаках и космической пыли, которая постоянно захватывается Землей.

Несмотря на высокую популярность идеи РНК-мира, сторонники белковой теории также не сдают свои позиции. Модифицировав представления Опарина, они утверждают, что короткие цепи из аминокислот (олигопептиды) могли синтезироваться с помощью РНК уже на ранних этапах РНК-мира (как мы видели, аминокислоты с легкостью образовывались в экспериментах Миллера и последователей). При этом такие олигопептиды могли принимать участие в катализе или защите и концентрировании первых рибозимов (например, путем упаковки их внутрь коацерватов). На практике было также показано, что пептидная (читай — белковая) цепь может служить заменителем сахарофосфатного остова в нуклеиновых кислотах. Подобные гипотезы намечают возможный способ перехода от мира РНК к миру белков и далее, к прото-клеточной эволюции.

Еще одна интересная и перспективная гипотеза состоит в том, что жизнь зарождалась вблизи выбросов горячих вулканических вод, где из-за температуры и наличия больших концентраций биогенных молекул реакции образования биомолекул могли происходить с более высокой скоростью (см. "Наука и жизнь" № 6, 2003 г. — Ред.). Кроме того, большие перепады температуры могли облегчать процессы матричного синтеза нуклеиновых кислот. Высокие температуры (вблизи источника) способствовали распаду двухнитчатых нуклеиновых кислот на однонитчатые, на которых вдали от источника (при понижении температуры) мог происходить следующий цикл синтеза. Такой сценарий напоминает разработанную в середине 80-х годов прошлого века технологию многократного копирования нуклеиновых кислот, названную полимеразной цепной реакцией (ПЦР). Возможно, человек просто повторил то, что Природа изобрела миллиарды лет назад?

В этой статье мы оставили за рамками вопрос возникновения другого носителя генетической информации — молекулы ДНК. Сейчас господствующей остается гипотеза более позднего возникновения ДНК, которая вытеснила РНК, зарекомендовав себя более надежным хранилищем генетической информации. Однако самые последние исследования показывают, что однонитчатая ДНК может служить даже лучшим ферментом, чем РНК. При этом, как мы уже знаем, ДНК гораздо более устойчива во внешней среде, что дает ей немалое преимущество. Кто знает, может быть, через несколько витков двойной спирали истории ДНК-мир, отвергнутый после открытия рибозимов, вновь отвоюет свои позиции.

По мере накопления знаний и развития методов исследования современные гипотезы и теории будут сменяться более правдоподобными и обоснованными. Однако на данном этапе развития науки кажется маловероятным, чтобы человечество смогло когда-либо окончательно разрешить эту тайну тайн. Несомненным остается лишь то, что человек никогда не отступится от ее разгадки. Ведь способность к познанию и изменению мира — та самая главная "мутация", которая движет одним из видов приматов последний миллион лет, подчиняя его воле всех бывших "родственников" и позволяя надменно именоваться "Царем Природы".

Кандидат биологических наук С. Григорович
«Наука и жизнь» №2, 2004
Комментарии: 0