PNAS: Следует пересмотреть информацию в учебниках про генетический код жизни

Несмотря на потрясающее разнообразие, почти все формы жизни — от бактерий до синих китов — имеют один и тот же генетический код. Как и когда появился этот код, было предметом многочисленных научных споров.

Используя новый подход к старой проблеме, Савсан Вехби, докторант Междисциплинарной программы для выпускников факультета генетики Университета Аризоны, обнаружил убедительные доказательства того, что версия учебника о том, как развивался универсальный генетический код, нуждается в пересмотре.

Вехби — первый автор исследования, опубликованного в журнале PNAS, в котором говорится, что порядок набора аминокислот — строительных блоков кода — расходится с тем, что принято считать «консенсусом» эволюции генетического кода.

Генетический код — это удивительная вещь, в которой строка ДНК или РНК, содержащая последовательности из четырех нуклеотидов, переводится в белковые последовательности с помощью 20 различных аминокислот, — говорит Джоанна Масел, старший автор статьи и профессор экологии и эволюционной биологии в Университете Южной Африки.

Это умопомрачительно сложный процесс, и наш код удивительно хорош. Он почти оптимален для целого ряда вещей, и, должно быть, эволюционировал поэтапно.

Исследование показало, что ранняя жизнь предпочитала небольшие молекулы аминокислот более крупным и сложным, которые были добавлены позже, а аминокислоты, связывающиеся с металлами, появились гораздо раньше, чем считалось ранее. Наконец, команда обнаружила, что современный генетический код, скорее всего, появился после других кодов, которые уже вымерли.

Авторы утверждают, что существующее представление о том, как развивался код, несовершенно, поскольку опирается на недостоверные лабораторные эксперименты, а не на эволюционные данные. Например, один из краеугольных камней традиционных взглядов на эволюцию генетического кода опирается на знаменитый эксперимент Урея-Миллера 1952 года, в котором была предпринята попытка смоделировать условия на ранней Земле, в которых, вероятно, происходило зарождение жизни.

Хотя эксперимент был ценен тем, что продемонстрировал, что неживая материя может дать начало строительным блокам жизни, включая аминокислоты, посредством простых химических реакций, его последствия были поставлены под сомнение. Например, в результате эксперимента не было получено ни одной аминокислоты, содержащей серу, несмотря на то, что этот элемент был в изобилии на ранней Земле. Поэтому считается, что серные аминокислоты появились в коде гораздо позже. Впрочем, результат вряд ли удивителен, учитывая, что сера была исключена из ингредиентов эксперимента.

По словам соавтора Данте Лауретты, профессора планетарных наук и космохимии из Лунной и планетарной лаборатории Университета Южной Африки, богатая серой природа ранней жизни открывает перспективы для астробиологии, в частности, для понимания потенциальной обитаемости и биосигнатур внеземных сред.

На таких мирах, как Марс, Энцелад и Европа, где преобладают соединения серы, это может помочь нам в поисках жизни, выявив аналогичные биогеохимические циклы или микробные метаболизмы, — сказал он.

Подобные выводы могут уточнить предмет поиска в биосигнатурах, что поможет обнаружить формы жизни, которые процветают в богатых серой или аналогичных химических средах за пределами Земли.

Команда использовала новый метод для анализа последовательностей амино по всему древу жизни, вплоть до последнего универсального общего предка, или LUCA, — гипотетической популяции организмов, живших около 4 миллиардов лет назад и представляющих собой общего предка всего живого на Земле сегодня. В отличие от предыдущих исследований, в которых использовались полноразмерные последовательности белков, Вехби и ее группа сосредоточились на белковых доменах — более коротких участках аминокислот.

Если представить, что белок — это автомобиль, то домен — это как колесо, — говорит Вехби.

Это деталь, которая может быть использована в разных автомобилях, а колеса существуют гораздо дольше, чем автомобили.

Чтобы понять, когда конкретная аминокислота, вероятно, была включена в генетический код, исследователи использовали инструменты статистического анализа данных для сравнения обогащения каждой отдельной аминокислоты в белковых последовательностях, датируемых периодом LUCA и даже более отдаленным периодом времени. Аминокислота, которая преимущественно встречается в древних последовательностях, скорее всего, была включена в код на раннем этапе. И наоборот, последовательности LUCA обеднены аминокислотами, которые появились позже, но стали доступны к моменту появления менее древних белковых последовательностей.

Команда обнаружила более 400 семейств последовательностей, восходящих к LUCA. Более 100 из них возникли еще раньше и успели диверсифицироваться до появления LUCA. Оказалось, что они содержат больше аминокислот со структурой ароматического кольца, таких как триптофан и тирозин, несмотря на то, что эти аминокислоты были добавлены в наш код поздно.

Это дает подсказку о других генетических кодах, которые появились до нашего и которые исчезли в пучине геологического времени, — говорит Масел.

Похоже, ранняя жизнь любила кольца.

Ранее ученые нашли в Шотландии формы жизни начала времен.

13.12.2024