Scisne?

Мембранные протоклетки помирили с самосинтезирующейся РНК

Комментарии: 0
Первые протоклетки, возникшие в «мире РНК», не смогли бы существовать из-за высоких концентраций магния, необходимых для работы самостоятельных РНК, но такие протоклетки выжили бы вместе с хелатирующими агентами, которые способны связывать магний и тем самым давать мембранным пузырькам шанс.

Одна из самых популярных гипотез о возникновении жизни строится на допущении, что первыми биомолекулами на Земле были РНК. В те древние времена они могли не только хранить информацию, но и благодаря собственным каталитическим способностям воспроизводить её. (Мощным аргументом в пользу древнего «мира РНК» стало открытие самостоятельных рибозимов) ДНК для копирования нужны белки, то есть РНК у ДНК в этом смысле выигрывают. Что до белков, то, несмотря на популярность гипотезы «мира РНК», они могли возникнуть раньше РНК — так во всяком случае считают некоторые исследователи.

Однако за выяснением того, кто был первым, часто забывается другая проблема, связанная с возникновением жизни. Компоненты биохимической реакции должны собраться в одном месте, сконцентрироваться, иначе никакой реакции не будет. То есть нужен какой-то реактор, не дающий реакционной смеси расплываться в «первичном супе», и таким реактором может стать мембранный пузырёк, мембрана которого составлена из жирных кислот.

/ax/d1/1/a792/im01.jpgСамостоятельный синтез РНК в протоклетках на заре жизни; в выноске показано, как рибонуклеотиды-мономеры проходят сквозь мембрану и включаются в растущую цепь РНК. (Иллюстрация Katarzyna Adamala / Roma Tre University.)

Таким образом, учёные пришли к модели протоклетки, то есть некоей липидоподобной мембраны, которая образует пузырьки-везикулы и захватывает биологические макромолекулы. Исследования показали, что это не так уж невозможно: компоненты биохимической реакции могут находиться рядом достаточно долго, чтобы их успела захватить вот такая протомембрана. Но если мы говорим о молекулах РНК, которые могут копировать друг друга, то тут возникает следующая проблема: РНК для этого нужно много ионов магния, настолько много, что эти ионы легко дестабилизируют мембрану, и первичная клетка просто развалится, не успев образоваться. Проблему можно было бы решить, призвав на помощь белки, способные проделать необходимые операции при меньшем содержании магния, но мы ведь уже договорились, что в «мире РНК» белков не было?

Проблему удалось решить нобелевскому лауреату Джеку Шостаку (Jack Szostak), работающему сейчас в Медицинском институте Говарда Хьюза и в Общеклинической больнице штата Массачусетс при Гарвардском университете (оба — США). Он и его сотрудники уже больше заняты созданием первичной клетки, в которой можно было бы воссоздать процессы возникновения жизни. Решение оказалось простым: исследователи добавили РНК в мембранные пузырьки хелатирующих агентов, то есть веществ, которые могут связывать ионы металлов. Лимонная кислота и некоторые другие соединения оказались в этом смысле достаточно эффективными, чтобы предотвратить дестабилизирующее воздействие магния на жирные кислоты, образующие мембрану.

Но не помешают ли такие хелаты реакциям с участием РНК? Чтобы проверить это, исследователи поместили в мембранные пузырьки комплексы из длинных РНК, которые выступали в роли шаблонов, и связанных с ними коротких отрезков РНК, служивших затравками-праймерами для дальнейшего копирования шаблона. Та часть, которая подлежала копированию, состояла из цитидинов, то есть при копировании, согласно закону комплементарности, должна была возникнуть цепь из гуанидинов.

Как пишут исследователи в журнале Science, в присутствии хелатирующих соединений необходимый для реакции гуанидин проходил сквозь жировую мембрану и завершал построение двуцепочечной РНК. Быстрее всего процесс шёл при добавлении в реакционную смесь цитрата (лимонной кислоты), а вот при внесении двух других связывающих магний соединений всё останавливалось.

Если отвлечься от туманных историй о возникновении жизни, то полученные результаты имеют прежде всего большое практическое значение, так как с помощью описанных хелатирующих добавок можно создавать искусственные, синтетические клетки.

С одной стороны, они позволяют в деталях изучать, как происходят те или иные молекулярные процессы, а с другой — клетки можно использовать для тестирования неких медицинских веществ или вообще для производства каких-нибудь препаратов. При этом можно будет обойтись без некоторых белков, которые этим занимаются в обычной клетке, но сильно усложняют дело, если когда мы пытаемся воспроизвести синтетический процесс в пробирке.

Если же вернуться к гипотезам о возникновении жизни, то такие хелатирующие агенты вполне могли присутствовать в то время на Земле: структурно они не так уж сложны. Но, как осторожно замечают сами авторы, таких веществ вряд ли было очень много, и в итоге они, скорее всего, были дополнены какими-то простыми пептидами, которые могли точно так же связывать магний, защищая протоклетку от распада, и информация о которых могла уже храниться в самих РНК, обитавших в таких протоклетках.

В связи с этим, конечно, нельзя не вспомнить другую недавнюю работу на тему возникновения жизни, авторы которой решили вообще обойтись без липидных мембран: по их мнению, эквивалентом протоклеткам могла стать обычная глина, прекрасно сорбирующая биомолекулы, концентрируя их для молекулярных взаимодействий.

Подготовлено по материалам Phys.Org.

Кирилл Стасевич
29 ноября 2013 года
compulenta
Комментарии: 0