В метаболизме всех живых организмов существует четкое разделение труда: нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) несут информацию для синтеза белков, а белки обеспечивают структурные и исполнительные функции, необходимые клеткам, такие как контролируемый и специфический катализ. химических реакций ферментами. Однако в последние десятилетия стало ясно, что это различие отнюдь не абсолютное. В частности, РНК способна игнорировать границы, обозначенные выше, и, как известно, играет каталитическую роль во многих важных процессах. Например, определенные молекулы РНК могут катализировать репликацию других нуклеиновых кислот, и эта универсальность может помочь объяснить, как на Земле зародилась жизнь.
Молекулы нуклеиновых кислот состоят из субъединиц, называемых нуклеотидами, которые различаются так называемыми основаниями. Основания, обнаруженные в РНК, обозначаются буквами A, C, G и U (в ДНК вместо U используется буква T).
Эти основания делятся на две комплементарные пары, члены которых специфически взаимодействуют: A с T (или U) и G с C. Эта комплементарность является причиной стабильности двойной спирали ДНК и позволяет одиночным цепям РНК складываться в сложные формы. .Считается, что жизнь возникла в результате процесса химической эволюции, в котором последовательности нуклеиновых кислот могли выборочно реплицироваться. Таким образом, в пребиотических системах одни молекулярные «виды», несущие информацию, воспроизводились за счет других. В биологических системах такая селективность обычно обеспечивается так называемыми праймерами — цепями нуклеиновой кислоты, которые соединяются (как описано выше) с частью реплицируемой молекулы, образуя короткую двойную спираль.
Праймер обеспечивает отправную точку для удлинения двухцепочечной области с образованием новой дочерней цепи. Более того, этот процесс можно реконструировать в пробирке.Плюсы и минусы репликаторов шпильки
Георг Уртель и Томас Ринд, члены исследовательской группы, возглавляемой Дитером Брауном (профессором системной биофизики в LMU), использовали такую систему для определения свойств, которые могут способствовать избирательной репликации молекул ДНК. Для своих экспериментов они выбрали одноцепочечную последовательность ДНК, которая принимает так называемую структуру шпильки. В этих молекулах последовательности оснований на обоих концах комплементарны друг другу, как и короткие участки последовательности в остальной части молекулы. Такое распределение комплементарных последовательностей заставляет такую цепь складываться в конформацию, подобную шпильке.
Благодаря правилам образования пар, описанным выше, репликация одной цепи ДНК дает вторую цепь, последовательность которой отличается от первой. Следовательно, для каждой нити структуры без шпилек требуется свой праймер для репликации. Но в случае шпилек одного праймера достаточно для первичного синтеза как исходной, так и комплементарной цепи. «Это означает, что шпильки — относительно простые репликаторы», — отмечает Георг Уртель.
Обратной стороной является то, что шпильочная структура затрудняет связывание праймеров, что, в свою очередь, ограничивает скорость их репликации. Молекулярные виды, лишенные шпилечной структуры, не имеют этой проблемы.
Сотрудничество превосходит конкуренциюВ последующих экспериментах исследователи обнаружили, что два простых вида шпилек могут взаимодействовать, чтобы дать начало гораздо более эффективному репликатору, для амплификации которого требуется два праймера. Каждому из двух выбранных видов шпилек требовался разный праймер, но их последовательности были частично идентичны.
Переключение на кооперативную репликацию происходит, когда репликация одной из шпилек останавливается. «Как правило, процессы репликации в природе никогда не бывают идеальными», — говорит Дитер Браун. «Такая преждевременная остановка — это не то, что нужно встраивать в систему. Это случается стохастически, и мы используем это в наших экспериментах».
Частично реплицированная шпилька может, однако, связываться с молекулой второго вида и служить праймером, который можно дополнительно удлинить. Более того, полученный продукт больше не образует шпильку.
Другими словами, он представляет собой новый молекулярный вид.Спасен от вымиранияТаким так называемым «гибридам» нужны два праймера для их репликации, но, тем не менее, они могут реплицироваться значительно быстрее, чем любой из их предков-шпилек.
Дальнейшие эксперименты показали, что при серийном разведении популяции шпильковые ДНК вскоре вымирают. Однако содержащаяся в них информация о последовательностях сохраняется в помесях и может быть воспроизведена в дальнейшем.Обратный эксперимент подтвердил, что информация действительно сохраняется: если гибриды снабжены только одним праймером, соответствующий вид шпильки-предшественника все еще может быть воспроизведен посредством процесса переключения, упомянутого выше.
Но при отсутствии второго праймера помесь вымирает. «Таким образом, процесс скрещивания не только обеспечивает переход от« простых и медленных »репликаторов к более быстрым репликаторам, он также позволяет системе адаптироваться к преобладающим условиям», — объясняет Уртель. «Это также предполагает, как ранние репликаторы могли сотрудничать друг с другом в пребиотических условиях до возникновения живых систем».