Новые статьи — одна по молекулярной биологии и эволюции, другая по биосистемам — показывают, как недавние экспериментальные исследования двух суперсемейств ферментов преодолевают сложные теоретические вопросы о том, насколько сложная жизнь возникла на Земле более четырех миллиардов лет назад.«До сих пор считалось, что невозможно проводить эксперименты, чтобы проникнуть в истоки генетики», — сказал соавтор Чарльз Картер, доктор философии, профессор биохимии и биофизики в Медицинской школе UNC. «Но теперь мы показали, что экспериментальные результаты прекрасно согласуются с теорией« пептид-РНК », и поэтому эти эксперименты дают довольно убедительные ответы на то, что произошло в начале жизни на Земле».Особые атрибуты предковых версий этих суперсемейств ферментов и самоусиливающаяся система обратной связи, которую они сформировали с первыми генами и белками, дали толчок ранней биологии и подтолкнули первые формы жизни к большему разнообразию и сложности, т.е. сказали исследователи.
Соавтор Питер Уиллс, доктор философии, профессор физики в Оклендском университете, сказал: «По сравнению с гипотезой мира РНК, то, что мы обрисовали в общих чертах, является просто гораздо более вероятным сценарием происхождения жизни. Мы надеемся, что наши данные и теория, изложенная в этих статьях, будет стимулировать обсуждение и дальнейшие исследования по вопросам, имеющим отношение к происхождению жизни ».Двое ученых полностью осознают, что гипотеза мира РНК по-прежнему доминирует в области исследований происхождения жизни. «Эта теория настолько привлекательна и целесообразна, что большинство людей просто не думают, что у нее есть альтернатива», — сказал Картер. «Но мы очень уверены, что есть».До появления жизни на Земле существовали простые химические вещества.
Каким-то образом они произвели как аминокислоты, так и нуклеотиды, которые в конечном итоге стали белками и нуклеиновыми кислотами, необходимыми для создания отдельных клеток. А отдельные клетки стали растениями и животными.
Исследования этого века показали, как изначальный химический суп создавал строительные блоки жизни. Существует также широко распространенный научный консенсус относительно исторического пути, по которому клетки эволюционировали в растения и животных.Но до сих пор остается загадкой, как аминокислотные строительные блоки были впервые собраны в соответствии с закодированными матрицами нуклеиновых кислот в белки, которые сформировали механизмы всех клеток.
Широко принятая теория мира РНК утверждает, что РНК — молекула, которая сегодня играет роль в кодировании, регулировании и экспрессии генов — поднялась из первозданного супа аминокислот и космических химикатов, в конечном итоге дав начало коротким белкам, называемым пептиды, а затем и одноклеточные организмы.Картер и Уиллс утверждают, что РНК не может запустить этот процесс в одиночку, потому что у нее отсутствует свойство, которое они называют «рефлексивностью». Он не может обеспечить соблюдение правил, по которым это сделано.
РНК нужны пептиды для формирования петли рефлексивной обратной связи, необходимой для того, чтобы в конечном итоге привести к жизненным формам.В основе теории пептид-РНК лежат настолько древние и важные ферменты, что их остатки все еще обнаруживаются во всех живых клетках и даже в некоторых субклеточных структурах, включая митохондрии и вирусы.
Существует 20 таких древних ферментов, называемых аминоацил-тРНК синтетазами (aaRS).Каждый из них распознает одну из 20 аминокислот, которые служат строительными блоками белков. (Белки, считающиеся машинами жизни, катализируют и синхронизируют химические реакции внутри клеток.) В современных организмах aaRS эффективно связывает назначенную ей аминокислоту с цепочкой РНК, содержащей три нуклеотида, комплементарные аналогичной цепочке в транскрибируемом гене. Таким образом, aaRS играют центральную роль в преобразовании генов в белки, в процессе, называемом трансляцией, который необходим для всех форм жизни.
20 ферментов aaRS принадлежат к двум структурно различным семействам, каждое из которых содержит 10 ферментов aaRS. Недавние экспериментальные исследования Картера показали, что два небольших предка ферментов этих двух семейств кодировались противоположными, комплементарными цепями одного и того же небольшого гена.
Простота этого устройства с начальным двоичным кодом всего двух видов аминокислот предполагает, что это произошло на заре биологии. Более того, тесная взаимозависимость инь-ян этих двух родственных, но очень разных ферментов стабилизировала бы раннюю биологию, сделав неизбежным последующее упорядоченное разнообразие жизни.«Эти взаимозависимые пептиды и кодирующие их нуклеиновые кислоты могли бы способствовать молекулярной самоорганизации друг друга, несмотря на постоянные случайные нарушения, которые возникают во всех молекулярных процессах», — сказал Картер. «Мы считаем, что именно это привело к возникновению мира пептид-РНК в начале истории Земли», — сказал Картер.Связанное с этим исследование, проведенное Картером и его коллегой по UNC Ричардом Вулфенденом, доктором философии, ранее показало, как внутренняя химия аминокислот позволила первым ферментам aaRS правильно складываться в функциональные ферменты, одновременно определяя назначения в универсальной таблице генетического кодирования.
«Обеспечение взаимосвязи между генами и аминокислотами зависит от aaRS, которые сами кодируются генами и состоят из аминокислот», — сказал Уиллс. «AaRS, в свою очередь, зависят от тех же самых отношений. Здесь работает базовая рефлексивность. Теоретик Дуглас Хофштадтер назвал это« странной петлей ». Мы предполагаем, что это тоже сыграло решающую роль в самоорганизации биологии, когда на Земле зародилась жизнь. Хофштадтер утверждал, что рефлексивность является движущей силой роста сложности ».
Картер и Уиллс разработали две дополнительные причины, по которым любая важная биология чистой РНК вряд ли предшествовала биологии пептид-РНК. Одна из причин — катализ — ускорение химических реакций с участием других молекул.Катализ — это ключевая особенность биологии, которую РНК не может выполнять с большой универсальностью. В частности, ферменты РНК не могут легко приспособить свою активность к изменениям температуры, которые могли произойти при охлаждении Земли, и поэтому не могут выполнять очень широкий диапазон каталитических ускорений, которые были бы необходимы для синхронизации биохимии ранних клеточных форм жизни.
По словам Картера, только пептидные или белковые ферменты обладают такой каталитической универсальностью.Во-вторых, Уиллс показал, что невозможные препятствия заблокировали бы любой переход от мира чистой РНК к миру белок-РНК и далее к жизни.
«Такой переход от РНК к клеточной жизни потребовал бы неожиданного появления aaRS-подобного белка, который работал бы даже лучше, чем его адаптированный аналог РНК», — сказал Картер. «Это крайне маловероятное событие должно было произойти не один, а несколько раз — один раз для каждой аминокислоты в существующем коде ген-белок. Это просто не имеет смысла».Таким образом, поскольку новая теория Картера-Уиллса на самом деле касается реальных проблем происхождения жизни, которые скрыты целесообразностью гипотезы РНК-мира, на самом деле это гораздо более простое объяснение того, как все, вероятно, происходило непосредственно перед тем, как жизнь на Земле возникла. исконный суп.
Исследование финансировали Национальный институт общих медицинских наук и Фонд Джона Темплтона.