Теперь исследование биохимика Медицинской школы UNC Чарльза Картера, доктора философии, появившееся в выпуске журнала «Биологическая химия» от 13 сентября, предлагает новый интригующий взгляд на то, как зародилась жизнь. Работа Картера основана на лабораторных экспериментах, в ходе которых его команда воссоздала древние белковые ферменты, которые, вероятно, сыграли жизненно важную роль в создании жизни на Земле. Открытие Картера противоречит широко распространенной теории о том, что рибонуклеиновая кислота (РНК) самовоспроизводится без помощи простых белков и в конечном итоге привела к такой жизни, какой мы ее знаем.В начале 1980-х исследователи обнаружили, что рибозимы — ферменты РНК — действуют как катализаторы.
Это было доказательством того, что РНК могут быть как чертежами, так и химическими катализаторами, которые приводят эти планы в действие. Это открытие привело к гипотезе «Мира РНК», согласно которой одна только РНК вызвала возникновение жизни из моря молекул.Но для того, чтобы гипотеза была верной, древним РНК-катализаторам пришлось бы копировать несколько наборов чертежей РНК почти так же точно, как это делают современные ферменты. Это сложно продать; Ученые подсчитали, что для того, чтобы случайно сгенерированные молекулы РНК эволюционировали в достаточной степени, чтобы достичь современного уровня сложности, потребуется гораздо больше времени, чем возраст Вселенной.
Учитывая возраст Земли в 4,5 миллиарда лет, живые системы, полностью управляемые РНК, не могли воспроизводиться и развиваться достаточно быстро или точно, чтобы вызвать огромную биологическую сложность на Земле сегодня.«Гипотеза мира РНК крайне маловероятна», — сказал Картер. "Это займет вечность".Более того, нет никаких доказательств того, что такие рибозимы существовали миллиарды лет назад.
Чтобы поддержать гипотезу о мире РНК, ученые используют технологию 21 века для создания рибозимов, которые служат катализаторами. «Но большинство этих синтетических рибозимов, — сказал Картер, — мало похожи ни на что, что кто-либо когда-либо выделял из живой системы».Картер, который был экспертом в области древней биохимии на протяжении четырех десятилетий, придерживался другого подхода.
Его эксперименты глубоко укоренились в консенсусной биологии.
Наш генетический код транслируется двумя суперсемействами современных ферментов. Исследовательская группа Картера создала и наложила цифровые трехмерные версии двух суперсемейств, чтобы увидеть, как их структуры совпадают.
Картер обнаружил, что все ферменты имеют практически идентичные ядра, которые можно извлечь для получения «молекулярных окаменелостей», которые он назвал Урзимами — Ур, что означает самые ранние или оригинальные. Другие части, по его словам, являются вариациями, которые были введены позже, по мере развития эволюции.Эти два урзима настолько близки, насколько ученые достигли реальных древних ферментов, населявших Землю миллиарды лет назад.«Как только мы идентифицировали основную часть фермента, мы клонировали ее и экспрессировали», — сказал Картер. «Затем мы хотели посмотреть, сможем ли мы стабилизировать его и определить, имеет ли он какую-либо биохимическую активность».
Могли, и это произошло.Оба Урзима очень хороши в ускорении двух реакций, необходимых для трансляции генетического кода.«Наши результаты предполагают, что очень активные белковые ферменты были на очень раннем этапе зарождения жизни, еще до появления организмов», — сказал Картер. «И эти ферменты были очень похожи на созданные нами Urzymes».Открытие также предполагает, что урзимы произошли от еще более простых предков — крошечных белков, называемых пептидами.
И со временем эти пептиды эволюционировали вместе с РНК, давая начало более сложным формам жизни.В этом сценарии «мир пептидов и РНК» РНК содержала бы инструкции для жизни, в то время как пептиды ускоряли бы ключевые химические реакции для выполнения этих инструкций.
«Мысль о том, что эти два урзима могли запустить синтез белка до появления жизни на Земле, совершенно возбуждает», — сказал Картер. «Я не могу представить себе более захватывающий результат, над которым можно было бы работать, если кто-то интересуется происхождением жизни».Исследование оставляет открытым вопрос о том, как именно этим примитивным системам удалось воспроизвести себя — то, что ни гипотеза мира РНК, ни теория мира пептидов-РНК пока не могут объяснить. Картер, однако, расширяет свои исследования, включив в него полимеразы — ферменты, которые фактически собирают молекулу РНК.
Поиск Urzyme, который служит этой цели, поможет ответить на этот вопрос.Соавторами исследования являются Ли Ли из UNC и Кристофер Франклин из Университета Вермонта в Берлингтоне.