Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК

Исследователи из университета штата Пенсильвания разработали химическую модель, которая подражает возможному шагу в формировании клеточной жизни на планете 4 млрд лет назад.

Используя большие макромолекулы под названием полимеры, ученые создали примитивные клеткоподобные структуры, которым внедрили РНК — генетически кодирующий материал, который, как считается, предшествует появлению ДНК на планете — и показали, как молекулы реагировали бы химически в условиях, которые, возможно, наблюдались на молодой Земле.

Результаты опубликованы в издании Nature Chemistry.

В современной биологии вся жизнь, за исключением небольшого количества вирусов, использует ДНК как генетический механизм хранения. Согласно гипотезе «РНК-мира», когда первая такая молекула появилась на планете, она служила и материалом генетического хранения, и функциональным элементом для катализации химических реакций, а ДНК и белки развились намного позже. В отличие от ДНК РНК может принять множество различных молекулярных структур, а потому является функционально интерактивной на молекулярном уровне. В статье два профессора химии, Кристин Китинг и Филип Бевилакуа, а также два аспиранта, Кристофер Стралсон и Розалин Молден, исследовали одну из ярких тайн, связанную с гипотезой РНК-мира.

„Недостающая часть загадки РНК-мира — это разделение“, сказал Бевилакуа. „Недостаточно иметь необходимые молекулы, которые составляют РНК — они должны быть разделены и должны находиться вместе, но не смешиваться. Подобные действия должны происходить в достаточно небольшом пространстве, аналогичном современной клетке, поскольку банальный химический факт в том, что для производства химической реакции молекулам необходимо найти друг друга“.

Чтобы проверить, насколько рано клеткоподобные структуры, возможно, сформировались и начали действовать для разделения молекул РНК даже в отсутствии жироподобных молекул, из которых состоят современные клеточные мембраны, Стралсон и Молден произвели простые, неживые модели клеток в лаборатории. „Мы подготовили отсеки с помощью растворов двух полимеров под названием полиэтилен гликоль и декстран“, пояснила Китинг. „Эти растворы формируют различные богатые полимерами водные отсеки, которые такие молекулы как РНК способны становиться концентрированными“.

Участники группы установили, что как только РНК помещается в богатые декстраном отсеки, молекулы способны формировать физические связи, что привело к разного рода химическим реакциям. „Интересно, что чем более плотно упакована РНК, тем быстрее прошли химические реакции“, объяснил Бевилакуа. „Мы отметили примерно 70-кратный рост уровня химических реакций. Что еще важней, мы доказали, что для участия РНК в химической реакции она должна разделяться во что-либо клеткоподобное. Наши эксперименты с двухфазовыми водными системами показали, что некий механизм разделения, возможно, обеспечил катализ в среде ранней Земли“.

Китинг добавила, что, хотя участники команды не предполагают, что полиэтилен гликоль и декстран были определенными полимерами, представленными на ранней Земле, они обеспечивают подсказку относительного вероятного пути разделения — деления фазы. „Деление фазы имеет место, когда в растворе присутствуют разные типы полимеров в относительно высоких концентрациях. Вместо смешивания образец разделяется для формирования двух разных жидкостей, подобно тому, как разделяются масло и вода“, пояснила Китинг. „Отсеки водной фазы, разработанные нами, использующие декстран и полиэтилен гликоль, усиливают биохимические реакции, повышая локальные концентрации реагента. Возможно, некоторые другие виды полимеров были молекулами, которые управляли делением на ранней Земле“.

Стралсон добавил, что „помимо гипотезы РНК-мира, эти результаты могут быть релевантными для локализации РНК и функции в немембранных компонентах в современной биологии“.

Ученые намерены продолжить исследования, тестируя метод образцовой клетки с другими полимерами. „Мы заинтересованы в анализе разделения в полимерных системах, которые более близко связаны с теми, что присутствовали на ранней Земле, а также с теми, что могут присутствовать в современных биологических клетках, для которых разделение РНК остается важным для широкого диапазона клеточных процессов“.

15.10.2012