Scisne?

Как древняя клетка могла возникнуть из простейших агрегатов РНК

Комментарии: 0
Интервью с биологом Арменом Мулкиджаняном о проблеме возникновения живого из неживого, реконструкции предков LUCA и первых РНК-организмах. Материал подготовлен на основе радиопередачи «ПостНаука» на радио Говорит Москва. Ведущий — главный редактор проекта «ПостНаука» Ивар Максутов, гость эфира — доктор биологических наук Армен Мулкиджанян.

— Когда, почему и зачем в науке возникает вопрос о происхождении жизни?

— Многие века такого вопроса не было, так как даже ученые полагали, что жизнь может заводиться спонтанно; считалось, например, что мыши заводятся в грязном белье. Пастер первым поставил аккуратный в современном понимании опыт, где показал, что просто так, в бульоне, жизнь не заведется, если бульон отстерилизовать и предотвратить возможность его заражения какими-то микроорганизмами. Так что только в конце XIX века для науки встала проблема того, откуда могли взяться самые первые живые организмы. Известна цитата из частного письма Чарльза Дарвина ботанику Джозефу Хукеру (Joseph Hooker), где Дарвин писал, что «если представить себе, что в каком-нибудь маленьком теплом пруду со всеми видами аммония, солей фосфора, светом, теплом, электричеством и так далее образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения…» Научный подход к проблеме происхождения жизни, по сути, восходит к этой цитате, хотя, надо отметить, в своих книгах Дарвин был осторожен и о происхождении жизни ничего не писал.

В начале XX века в Англии и Германии уже удавалось получать органические вещества из неорганических за счет энергии света. На основе этих исследований английский биохимик Бенджамин Мур (Benjamin Moore) даже выпустил книгу о происхождении жизни в 1913 году, но странным образом большого эффекта это не произвело. Видимо, началась война, и стало не до проблемы происхождения жизни.

Более счастливой была судьба книжки Александра Ивановича Опарина, тогда еще не академика, которая вышла в Москве в 1924 году. С публикации ее английского перевода в 1938 году, по сути, отсчитывается существование такой области естествознания, как исследования происхождения жизни.

Параллельно с Опариным великий английский биолог Джон Холдейн (John Haldane) напечатал в 1929 году небольшую, но чрезвычайно разумную статью о возможном сценарии происхождения жизни. Гипотеза Холдейна в деталях отличалась от гипотезы Опарина, но в целом их эволюционные сценарии схожи. И поэтому, когда Холдейн узнал о существовании книги Опарина, напечатанной ранее, но на русском языке, он охотно признал приоритет Опарина. Поэтому классическая концепция происхождения жизни называется теорией Опарина — Холдейна.

Эта концепция предполагала, что на Земле была восстановленная атмосфера, то есть атмосфера, состоявшая из газов, таких как метан и водород, содержащих достаточно много свободных электронов. В подобной атмосфере ультрафиолетовый свет или грозовые электрические разряды могли приводить к образованию органических молекул. А эти органические молекулы могли каким-то образом взаимодействовать между собой с образованием в итоге «живых» белковых «коацерватных капель» (по Опарину) или вирусоподобных частиц (по Холдейну). Оба сценария предполагали, что эти первые организмы сначала употребляли имевшиеся в окружающей среде органические молекулы и только со временем научились сами синтезировать органику из неорганических веществ.

Опарин в своей книге писал о необходимости экспериментального моделирования реакций, потенциально способных привести к возникновению жизни. Этот месседж был воспринят научным сообществом как руководство к действию, причем не только в СССР, но и на Западе.

В 1953 году Стенли Миллер (Stanley Miller), будучи тогда еще дипломником знаменитого геохимика Гарольда Ури (Harold Urey), попробовал смоделировать условия Опарина — Холдейна. Была взята колба, в которую накачали аммиак, водород, метан. Затем по этой газовой смеси долго били электрическими разрядами, что привело к отложению коричневого осадка на стенках колбы. Осадок посильными тогда методами проанализировали и действительно нашли несколько аминокислот. Надо сказать, что в эти же годы экспериментальные работы шли и в Москве, где к тому времени Опарин был уже академиком и директором Института биохимии Академии наук СССР, и в этом институте проблемой происхождения жизни занималось несколько научных групп. Таким образом и возникла область науки, где исследователи пытаются реконструировать различные стадии процесса возникновения жизни. В этой области работают химики, биологи, геологи, они печатают статьи в научных журналах, а также регулярно встречаются на конгрессах и обсуждают свои результаты.

— В науке о происхождении жизни сегодня больше экспериментов или теорий?

— Хватает и того, и другого. Выбор метода зависит от задачи. Например, там, где ученые из простых молекул пытаются получить более сложные химические конструкции, необходимы эксперименты; теоретические рассуждения о возможности тех или иных реакций ценятся мало. Осуществите реакцию в колбе, и если у вас получится, то вы молодец.

— В чем сложность проблемы возникновения живого из неживого? На первый взгляд кажется, что, поскольку в неорганической химии наблюдается усложнение элементов, усложнение органических молекул должно само по себе приводить к возникновению жизни.

— Для ответа на ваш вопрос надо сначала договориться, а что такое жизнь. По этому поводу идут бурные дискуссии, по большей части философского содержания. Общепризнанного строгого определения на самом деле нет, но среди работающих исследователей есть договоренность считать, что жизнь могла «начаться» с появления первых организмов, способных достаточно точно воспроизводить самих себя — реплицироваться, что умеют делать все живые существа. Способность копировать себя предполагает комплексные структуры, которые вряд ли могли возникнуть просто в результате случайного усложнения органических молекул, должен был быть какой-то отбор.

Следующий вопрос: из чего мог быть сделан первый организм, способный себя воспроизводить? Здесь есть два подхода. Одни ученые исходят из биологических макромолекул, обеспечивающих воспроизведение ныне существующих организмов. Существуют три основных типа биологических макромолекул — это белки, полимеры рибонуклеиновой кислоты (РНК) и полимеры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В наших клетках воспроизведение идет за счет того, что реплицируются, удваиваются молекулы ДНК. Однако у самых первых организмов в качестве несущих информацию молекул могли выступать молекулы РНК, что впервые предположил академик Андрей Николаевич Белозерский в 1957 году. При этом, когда Белозерский впервые сказал о возможной эволюционной первичности РНК, считалось, что молекулы РНК в клетках играют только вспомогательную роль. Действительно, генетическая информация записана на длинных спиралях ДНК. По полимерам ДНК, как по матрице, синтезируются длинные молекулы РНК, которые затем «прочитываются» специальными клеточными машинами, называющимися рибосомами, при синтезе белка. То есть молекулы РНК наших клеток — это посредники между запасенной в виде ДНК информацией и белком, который получается на выходе. В начале 80-х годов, однако, было показано, что молекулы РНК, подобно белковым ферментам, способны ускорять некоторые химические реакции, правда, не так хорошо, как белки. Оказалось, что молекулы РНК умеют не только существовать в виде несущих информацию спиралей, подобных ДНК, но и сворачиваться в клубки, так же как и молекулы белка. Позже, когда была расшифрована первая структура рибосомы, оказалось, что там, где две аминокислоты (кирпичики, из которых сложены белки) связываются друг с другом, есть только петли РНК. Рибосома очень сложная, она состоит из длинных свернутых молекул РНК и молекул белка, переплетенных друг с другом. Но в ее функциональном ядре, в центре — там молекул белка нет. Получается, что молекулы белка «делаются» молекулами РНК. Открытие того, что молекулы РНК выполняют самые разные функции в клетке, а не только являются промежуточным звеном в синтезе белка, придало веса концепции древнего РНК-мира, в котором самые первые организмы — какие-то комплексы молекул РНК — могли и ускорять химические реакции, и сами себя воспроизводить, а ДНК еще не было. Это не так уж дико звучит, потому что есть РНК-содержащие вирусы. Не имея ДНК, они тем не менее успешно размножаются, правда, при помощи тех организмов, которые они заражают. Так что основная гипотеза об устройстве первых организмов сводится к тому, что они могли быть агрегатами молекул РНК, которые сами себя воспроизводили.

В качестве альтернативы рассматривается возможность существования древних организмов, построенных из неких биополимеров, более простых, чем ДНК или РНК. Какие-то химические опыты в этой области ведутся. Эти опыты полезны, поскольку они способствуют прогрессу органической химии. Но применительно к проблеме происхождения жизни этот подход, как мне кажется, не очень научен, так как никаких объективных критериев выбора этих исчезнувших неведомых биополимеров для экспериментов, в общем, нет.

— Как возникли первые РНК-организмы? Как они могли быть отобраны?

— Для начала надо отметить, что молекулы РНК сложены из кирпичиков, называемых нуклеотидами, их основных четыре: аденин, гуанин, урацил и цитозин. Нуклеотид — это достаточно сложная молекула. Она состоит из азотистого основания (это одно или два органических «колечка» из атомов углерода и азота), присоединенного к молекуле сахара — рибозе, к которой, в свою очередь, присоединены от одной до трех фосфатных групп. Связывание таких молекул друг с другом приводит к образованию полимера РНК.

Первый вопрос: откуда могли взяться — просто так — нуклеотиды в неживой природе? Второй вопрос: как они могли полимеризоваться? В наших клетках и синтез, и полимеризация нуклеотидов требуют энергии и участия специальных ферментов, то есть сами по себе не идут. Поэтому химики пытаются подобрать условия спонтанного образования нуклеотидов и их полимеризации без ферментов. В последние годы здесь достигнут определенный прогресс.

Другой подход — это когда ученые берут уже синтезированные цепочки РНК и начинают с ними «играть», пытаясь заставить их самовоспроизводиться. Это тоже иногда получается.

Исходя из представлений о том, что агрегаты молекул РНК могли быть встроены в «пузыри», напоминающие клетки, но сделанные не из сложных соединений, образующих мембраны наших клеток, а из гораздо более простых, находимых даже в метеоритах молекул типа жирных кислот (из которых, в частности, состоит мыло), ученые пытаются в лаборатории работать и с более сложными системами. Так, объектом исследований служат маленькие «мыльные» пузырьки. В них «загружены» молекулы РНК, которые, в свою очередь, могут вступать в какие-то реакции внутри этих пузырьков. По всем перечисленным направлениям удается получать интересные результаты.

В частности, после долгих, не слишком удачных попыток синтезировать нуклеотиды или РНК-подобные полимеры, используя «водную» химию, удалось добиться прорыва, изменив постановку задачи. Начались поиски таких химических систем, в которых могли бы легко образовываться нуклеотиды. Успеха удалось добиться, когда использовали вместо воды формамид или его смеси с водой (молекула формамида предельно проста и образована одним атомом углерода, одним атомом кислорода, одним атомом азота и тремя атомами водорода — это как раз те четыре основных химических элемента, из которых состоит жизнь). Оказалось, что если формамидсодержащие системы нагревать или освещать ультрафиолетовым светом, то образуются как азотистые основания, так и различные аминокислоты. Формамида на древней, бескислородной Земле должно было быть достаточно, его облака встречаются даже в космосе. Отличительной особенностью формамида и других простых амидов является высокая температура кипения — около 200ºС. То есть при испарении древних луж и водоемов как раз формамид и должен был в них накапливаться.

В 2009 году английским ученым Джону Садерланду (John Sutherland) и Метью Поунеру (Matthew Powner) удалось провести синтез целого нуклеотида из простейших молекул в режиме one pot, то есть в одном реакционном сосуде, только меняя условия и делая добавки в процессе синтеза, а также используя то воду, то формамид в качестве растворителей. Они получили так называемый активированный циклический нуклеотид цитозин. В такой молекуле фосфатная группа связана с сахаром рибозой не одной, а двумя связями, в которых запасено достаточно энергии для последующей полимеризации. Интересно, что выход нуклеотида был около 40%, а все остальное - это были различные побочные продукты. После трехдневного освещения полученной смеси ультрафиолетовым светом оная смесь содержала только два встречающихся в РНК нуклеотида — цитозин и урацил, причем в циклической, способной полимеризоваться форме, а примеси куда-то исчезли, видимо, превратившись в эти нуклеотиды. То есть оказалось, что природные нуклеотиды — это особо устойчивые к ультрафиолетовому свету соединения. Эксперимент подтвердил гипотезу, высказанную, кстати, как раз нами более 10 лет назад, что ультрафиолетовый свет участвовал в отборе именно тех нуклеотидов, из которых состоит РНК, а также, возможно, и РНК-подобных полимеров как наиболее светоустойчивых. На древней Земле ультрафиолетовое излучение был гораздо сильнее, чем сейчас — поскольку кислорода не было, не было и озонового слоя. Так что ультрафиолетовый свет мог служить как источником энергии для различных синтетических реакций, так и фактором естественного отбора наиболее фотоустойчивых соединений.

— До какого момента мы можем добраться в исследовании происхождения жизни, двигаясь «снизу вверх»?

— Мне известны по крайней мере три исследовательские группы — в США, Японии и Великобритании, в планах которых создание простейших самовоспроизводящихся клеток; посмотрим, что из этого получится.

Более насущной кажется задача осмысления уже имеющихся в этой области наработок. В прошлом году Стивен Беннер (Steven Benner), известный химик, недавно выступивший с лекцией на Московском фестивале науки в МГУ, выпустил статью о том, что весь путь от простейших молекул до самовоспроизводящихся агрегатов РНК уже, в принципе, пройден, но по частям, в разных лабораториях. Остается только инженерная задача осуществления всех стадий в одной экспериментальной установке, где вы с одной стороны заливаете простейшие молекулы, а на выходе имеете самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Но это уже задача технологическая, а не научная, и это, думается, удастся сделать.

— Какие факты происхождения жизни сегодня являются доказанными?

— Наиболее достоверная информация — это информация о современных организмах. Они изучаемы, и в расшифровке геномов современных организмов достигнут огромный прогресс, расшифровано несколько тысяч геномов — это колоссальный объем весьма надежной информации.

Сравнивая современные организмы и находя у них общие черты, исследователи воссоздают предковые формы. При подобном подходе ученые стремятся получить новую информацию, идя «сверху вниз». Разрабатываемые эволюционные сценарии, безусловно, гипотетические, но они основаны на анализе существующих геномных последовательностей.

Таким образом, часть ученых идут «сверху вниз», их коллеги, «играющие» в РНК-конструктор, поднимаются «снизу вверх», но при этом эти две «команды» пока не встретились. Существует «белое пятно», terra incognita, между простейшими самовоспроизводящимися агрегатами РНК, полученными при движении снизу вверх, и реконструированной при движении сверху вниз клеткой. Реконструированная древняя клетка, как оказалось, была достаточно сложным организмом. Вопрос о том, как она могла возникнуть из простейших агрегатов РНК, — это основной вопрос, на который ученые сейчас пытаются найти ответ.

Перед тем как рассказать об этой древней клетке, имеет смысл на всякий случай дать «вводную» о современной классификации живых организмов. В 1977 году была напечатана одна из самых важных работ в биологии XX века — работа Карла Вёзе (Carl Woese) и сотрудников, в которой авторы провели сравнение всех существующих групп организмов, подобрав подходящий «маркер». В качестве маркера весьма удачно была взята последовательность одной из длинных молекул РНК, образующих рибосому, то есть ту машину, которая есть у всех клеточных организмов. Сравнительный анализ рибосомальной РНК (рРНК) показал, что классическое разделение на царства животных, растений, грибов и бактерий неверно. Оказалось, что бактериоподобные, не имеющие клеточных ядер организмы (прокариоты) делятся на две группы, которые существенно отличаются друг от друга. Одну так и продолжили называть бактериями, потому что к ней относится большая часть бактерий, которых мы знаем. Другую группу назвали археями. Это тоже крохотные организмы с простой мембраной и без ядра, которые, однако, значительно отличаются от бактерий не только по последовательности рРНК, но и по другим признакам; например, клетки архей бывают квадратными. Многие из архей живут в экстремальных условиях: при высоких температурах, в горячих источниках, в очень кислой среде, — и их открыли, если я ничего не путаю, относительно недавно, во второй половине XX века.

История про бактерии и археи имеет отношение к реконструированной древней клетке, но еще больше она имеет отношение к нам с вами, потому что дальнейшие исследования показали, что у эукариот, то есть организмов, клетки которых имеют ядра (а это растения, грибы и животные), наследственный аппарат, а также аппарат синтеза белка похожи на соответствующие аппараты архей. То есть мы ближайшие родственники архей, а не бактерий. Бактерии же живут в наших клетках в качестве гостей, которые «решили» не уходить. Наши клетки содержат структуры, называющиеся митохондриями, и они отвечают за энергетику наших клеток. Митохондрии — это, как оказалось, бывшие бактерии, которые около двух миллиардов лет назад вступили в симбиоз — сдружились — с нашим одноклеточным архееподобным предком и стали его обслуживать как «энергетические станции». Более того, наш геном содержит очень много бактериальных генов, которые взяты не от предков митохондрий, а от еще каких-то других бактерий. Возможно, исходный одноклеточный организм обладал, подобно, например, амебе, способностью к фагоцитозу — захватыванию из внешней среды других организмов вместе с их генами. Так что эукариоты, включая нас, — это причудливая генетическая смесь из архееподобной клетки, сумевшей некогда обзавестись ядром для защиты своей ДНК, бактерии, работающей как энергостанция, а также множества разных других прихваченных по случаю генов.

Теперь пора вернуться к древней реконструированной клетке. В 2000 году группа Евгения Викторовича Кунина, работающая в США, провела сравнение всех имевшихся на то время геномов архей и бактерий и выявила набор генов, общих для всех клеточных организмов, что позволило утверждать, что обладающий этим набором генов общий предок бактерий и архей — последний общий клеточный предок — существовал. По-английски его называют the Last Universal Cellular Ancestor, сокращенно — LUCA. Некоторые особенности этого предка удалось восстановить. Нет сомнения, что LUCA умел синтезировать белки. Причем его рибосомы были ненамного проще современных рибосом, это были уже весьма сложные РНК-белковые комплексы из десятков различных молекул белка и рРНК. С остальными клеточными системами LUCA ясности меньше, от каждой находятся только какие-то отдельные гены, общие для бактерий и архей, так что однозначная реконструкция соответствующих предковых систем пока не удается. У LUCA была мембрана — попроще, чем современная, а также встроенные в эту мембрану белки. Скорее всего, эти древние организмы существовали как сообщества, где каждый член умел синтезировать свой маленький набор белков и метаболитов, которыми они легко «обменивались» благодаря тому, что их мембраны должны были быть полупроницаемыми. Подобная взаимозависимость членов этого сообщества делала его устойчивым и в придачу защищала от паразитов.

Важно, что взаимная зависимость живых организмов друг от друга сохраняется и в современной биосфере. Простейшим примером являемся мы сами, потому что, при всей сложности биохимии наших клеток, наш организм не умеет синтезировать простейшее соединение — аскорбиновую кислоту, витамин С, так как наши предки-обезьяны потеряли эту способность где-то 60 млн лет назад. То есть мы зависим от других организмов в том, что касается витамина С, не говоря уже о других, химически гораздо более сложных витаминах. Все живые организмы зависят друг от друга, и это обеспечивает устойчивость биосферы. Именно поэтому мы должны беречь друг друга: не только люди людей, но и животных, и растения, и бактерий, и архей. В биосфере нет никого лишнего.

— Почему нельзя продвинуться «ниже» LUCA?

— Необходимо отметить, что LUCA — это не первая клетка, это последний общий предок бактерий и архей, как я уже говорил, весьма сложный организм. Продвигаться по стреле времени глубже, реконструируя еще более древние организмы, очень трудно, не хватает методических подходов. Можно предполагать, что была достаточно богатая история жизни до LUCA, но про нее мы почти ничего не знаем. Так что пока основная новость в этой области — это изменение представления о том, когда могла возникнуть жизнь и когда мог жить LUCA. Планете Земля 4,5 миллиарда лет. До недавнего времени считалось, что жизнь могла возникнуть только после последней катастрофической метеоритной бомбардировки, завершившейся 3,8 миллиарда лет назад. Сейчас появились основания считать, что бомбардировка была не такой уж катастрофической, так что какие-то живые организмы, например предки бактерий и архей, могли ее пережить, и что до начала этой бомбардировки, 4,4–4,1 миллиарда лет назад, на Земле был мягкий, прохладный климат, который мог весьма способствовать как существованию мира РНК, так и превращению реплицирующихся РНК-агрегатов в первые клеточные организмы.

Некоторую надежду на реконструкцию предков LUCA внушает пересмотр представлений о том, кто такие вирусы и какова их роль в природе. Во-первых, оказалось, что вирусы бактерий и архей совершенно разные. И это означает, что вирусный мир сосуществует с миром клеточных организмов с давних пор. Другими словами, с самого начала были как клеточные организмы, умеющие синтезировать белки, так и вирусоподобные организмы, которые, будучи паразитами, умели заставлять клеточные организмы синтезировать белки для них. То есть миры вирусов и белоксинтезирующих клеточных организмов взаимодействовали между собой еще до LUCA. Во-вторых, началось изучение океанских вирусов. Любопытно, что когда пересчитали количество вирусов на литр океанской воды, то оказалось, что их в 10 раз больше, чем клеточных организмов — около 100 миллиардов «штук» на литр. При этом мы про них почти ничего не знаем. Видимо, эти вирусы важны; показано, что они обеспечивают обмен генами между живущими в океане бактериями, представляя собой существенную часть биосферы. Так что, может, мы больше узнаем о предшественниках LUCA, изучая новые вирусы и их взаимодействие с клеточными организмами.

— Каково практическое значение исследований происхождения жизни?

— Часто успеха в этой области добиваются исследователи, которые не ставят целью своей жизни понять происхождение жизни на Земле, а делают свою работу — как химики или биологи — и по ходу дела присматриваются, нельзя ли применить полученные знания и умения в решении проблемы возникновения жизни. Тому же выше упомянутому Стивену Беннеру после прочтения в МГУ лекции на «классическую» тему «Есть ли жизнь на Марсе?» пришлось, изменив маршрут, улететь из Москвы в Китай, где срочно потребовались его патенты — а он очень хороший химик — для борьбы с вирусом Эбола — что может быть практичнее? Обычно люди, успешные в исследовании возникновения жизни, занимаются «на самом деле» чем-то еще. Всегда есть взаимообогащение между эволюционными подходами и практической деятельностью. Мы тоже занимаемся не только и не столько проблемой происхождения жизни, а молекулярными механизмами биологического преобразования энергии и их эволюцией. Но в качестве побочного результата наших изысканий удалось получить свидетельства возникновения первых клеток и, скорее всего, самой жизни на бескислородных геотермальных полях континентальных вулканических систем, а не в океане, как было принято считать.

— Какие есть важнейшие и нерешенные вопросы, которые наиболее актуальны для исследования происхождения жизни?

— Например, дальнейшие экспериментальные исследования мира РНК. Сейчас ученые стремятся добиться все более эффективной работы реплицирующихся структур внутри мембранных «мыльных пузырьков», пытаясь моделировать эволюцию первых клеток. Помимо этого, интересные события происходят в геологии, где удалось получить важные данные о геохимии древней Земли. Обсуждается вопрос, где возникла жизнь. Мы, например, полагаем, что это произошло на Земле, но другие ученые считают, что это могло произойти на Марсе с последующим занесением живых организмов на Землю. Тут тоже надо разбираться.

Армен Мулкиджанян — доктор биологических наук, Dr.rer.nat.habil., профессор факультета биоинженерии и биоинформатики, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова, научный сотрудник физического факультета, приват-доцент факультета биологии и химии Оснабрюкского университета (ФРГ).

Ивар Максутов — главный редактор, сооснователь Редакционно-издательского дома "ПостНаука", религиовед.

ПостНаука
Комментарии: 0