Химики из Университетского колледжа Лондона и Лаборатории молекулярной биологии MRC показали, как РНК могла копировать себя на ранней Земле — ключевой шаг к зарождению жизни.

Ученые считают, что первые формы жизни использовали РНК для хранения и передачи генетической информации, пока ее не заменили ДНК и белки.

Но в лаборатории заставить РНК размножаться просто — так, как это могло происходить в природе — оказалось сложно.

Молекулы РНК слипаются в двойную спираль, мешая копированию. Они ведут себя как липучка: их трудно разъединить, и они мгновенно сцепляются обратно, не оставляя времени на репликацию.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Chemistry, ученые решили проблему. Они использовали трёхбуквенные блоки РНК (тринуклеотиды) в воде, добавили кислоту и нагрели смесь, чтобы разделить спираль. Затем раствор охладили и заморозили.

В промежутках между кристаллами льда тринуклеотиды обволакивали нити РНК, не давая им снова слипнуться. Это позволило молекулам копироваться.

Циклы нагрева и заморозки — как естественные перепады температуры днем и ночью или в геотермальных зонах — запускали многократную репликацию. В результате получались достаточно длинные цепочки РНК, способные выполнять биологические функции.

Филипп Холлигер, руководитель исследования:

Жизнь отличается от простой химии наличием информации — молекулярной памяти, которая передается из поколения в поколение. Для этого информация должна копироваться.

Джеймс Эттвотер, ведущий автор:

Репликация — основа биологии. В каком-то смысле, именно поэтому мы здесь. Но следов первого молекулярного копирования в природе нет. Даже последний общий предок всей жизни на планете (LUCA) — уже сложный организм. Мы пытаемся воссоздать условия, в которых РНК могла размножаться без помощи современных ферментов.

Условия эксперимента напоминают пресноводные водоемы, особенно в геотермальных районах, где горячие источники встречаются с холодным воздухом. В соленой воде процесс не работает — соль мешает замерзанию и не дает РНК-блокам достичь нужной концентрации.

Жизнь, скорее всего, возникла не только из РНК, а из комбинации молекул: пептидов, ферментов и липидов, которые защищали эти компоненты. Ученые из UCL и MRC продолжают раскрывать загадки происхождения жизни, синтезируя ключевые «кирпичики» — нуклеотиды, аминокислоты и липиды — из простых соединений, которые могли быть на ранней Земле.

Этот эксперимент приближает нас к пониманию, как неживая материя перешла в живую. Если РНК действительно могла реплицироваться в простых условиях, это укрепляет гипотезу «мира РНК» — идеи, что жизнь началась с самокопирующихся молекул. Практическое применение: разработка синтетических биосистем и новых подходов в биоинженерии.

Хотя эксперимент элегантен, он не доказывает, что так обязательно происходило в природе. Концентрации реагентов и циклы заморозки/нагрева могли быть иными. Кроме того, тринуклеотиды в современной жизни не встречаются — значит, их роль в зарождении жизни спорна.

Ранее ученые выяснили роль древних ферментов в работе РНК.