Гипотеза рнк-мира

Как известно, самыми главными типами биологических соединений в живых организмах, позволяющих реализовывать базовые функции живого, являются белки, ДНК и РНК. Белки выполняют все виды активных «работ», дезоксирибонуклеиновые кислоты – хранение наследственной информации, рибонуклеиновые кислоты – считывание наследственной информации.

Какая из трех молекул появилась первой? Одни ученые говорили: конечно, белки, ведь они выполняют всю работу в живой клетке, без них жизнь невозможна. Им возражали: белки не могут хранить наследственную информацию, а без этого жизнь и подавно невозможна! Значит, первой была ДНК!

В 80-х годах были открыты рибозимы – молекулы РНК с каталитическими свойствами. Так появилась теория РНК-мира, согласно которой первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК. А первым прообразом будущего РНК-организма мог стать автокаталитический цикл, образованный самовоспроизводящимися молекулами РНК — теми самыми рибозимами, которые способны катализировать синтез собственных копий.

Конечно, нельзя сказать, что в теории РНК-мира совсем нет проблем и трудностей. Их очень много. Основная, пожалуй, состоит в том, что большинство рибозимов очень малоэффективны по сравнению со своими белковыми аналогами. Особенно это важно, когда речь идет о рибозимах, собирающих другие рибозимы.

Методом “искусственной эволюции” (то есть путем синтеза множества случайных последовательностей рибонуклеотидов, последующего отбора удачных вариантов, внесения в них небольших случайных изменений, нового отбора и т. д.) удалось получить рибозимы, которые худо-бедно могут “сшить” друг с другом два рибонуклеотида, но не всякие и не всегда. Осуществить полноценное копирование длинной молекулы РНК (то есть служить настоящими РНК-зависимыми РНК-полимеразами) они не могут. Чтобы изготовить из молекул РНК рибозим, который можно с полным правом назвать РНК-зависимой РНК-полимеразой, ученым пришлось воспользоваться наряду с “искусственной эволюцией” еще и сознательным, разумным планированием. В конце концов это удалось сделать — искомый рибозим был составлен из нескольких разных молекул РНК. Но даже и этот с таким трудом разработанный и изготовленный комплексный рибозим работает из рук вон плохо [1].

Рассмотрим два примера.

Первый пример – статья с сайта Membrana (http://www.membrana.ru/particle/13438): «Учёным из исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) впервые удалось синтезировать РНК-ферменты, которые способны воспроизводить сами себя бесконечно, даже в отсутствие каких-либо белков и других составляющих клетки. Предполагается, что такие же соединения стали основой жизни на Земле…

Эволюции в пробирке им удалось достичь при помощи метода принудительной адаптации. Если говорить упрощённо: сначала учёные взяли созданный ранее рибозим, проявляющий способности к репликации, затем они улучшили его, чтобы он смог эффективно и непрерывно самовоспроизводится…

Циклический процесс кроссрепликации (то есть перекрёстной, взаимной репликации) осуществляется следующим образом: первый рибозим связывает обе части второго, создавая с их помощью его новую копию, в это же время второй рибозим проделывает ту же операцию с первым…

Позже выяснилось, что несколько ферментов всё же совершали ошибки и «приклеивали» не те составляющие рибозимов, которые надо (выхватывая из массы чужие элементы). Такие «неправильные» копии продолжали плодиться, а некоторые из них даже начинали доминировать в смеси. В пробирках происходила своего рода эволюция! И возможно, биологи смогли взглянуть на процессы, что происходили в начале появления жизни на Земле…»

Далее следует признание: «Элементы рибозимов, которые учёные исследовали в своей лаборатории, достаточно сложны по своей структуре (состоят из множества нуклеотидов) и вряд ли присутствовали в первобытных водоёмах. Составляющие зарождающейся жизни, вероятно, были проще. Тем не менее открытие Джойса и Линкольн подтверждает гипотезу РНК-мира и наверняка станет основой для будущих работ в данной области».

Второй пример – статья с сайта «Элементы» (http://elementy.ru/novosti_nauki/431552/Ribozimy_mogut_razmnozhat_drug_druga). Приведем заголовок: «Согласно теории РНК-мира, на заре жизни должны были существовать рибозимы (молекулы РНК с каталитическими свойствами), способные осуществлять матричный синтез (размножение) молекул РНК. В природе такие рибозимы не обнаружены, а созданные искусственно работают очень плохо. Сочетая методы «эволюции в пробирке» и «разумного дизайна», американские ученые изготовили улучшенный рибозим с РНК-полимеразной активностью, способный копировать молекулы РНК длиной до 95 нуклеотидов (прежний рекорд – 20). При помощи нового рибозима впервые удалось осуществить размножение функциональной молекулы РНК (другого рибозима) без участия белков-ферментов».

Хорошо бы прочитать обе статьи (первая сильно урезана, особенно весь процесс синтеза). Возникает вопрос: если подобные рибозимы получали искусственно, причем процесс не такой уж и простой, то какова вероятность их спонтанного появления? И учитывались ли внешние условия, бывшие на Земле в эпоху «первичного бульона»?

Например, РНК гидролизуются примерно в 3 млрд раз быстрее, чем ДНК (влияние 2’-OH группы).