Хиральность РНК: тайна жизни становится все более загадочной

Загадка, почему жизнь использует молекулы с определенной ориентацией, стала еще глубже после того, как было обнаружено, что РНК — ключевая молекула, которая, как считается, могла содержать инструкции для жизни до появления ДНК — может благоприятствовать созданию строительных блоков белков как в левосторонней, так и в правосторонней ориентации. Разгадка этой тайны может дать ключи к происхождению жизни.

Белки — это рабочие молекулы жизни, используемые во всем, от структур, таких как волосы, до ферментов (катализаторов, которые ускоряют или регулируют химические реакции). Так же, как буквы алфавита организованы в бесконечных комбинациях, чтобы составить слова, жизнь использует 20 различных аминокислотных строительных блоков в огромном разнообразии расположений, чтобы создать миллионы различных белков.

Некоторые молекулы аминокислот могут быть построены двумя способами, так что существуют их зеркальные версии, как наши руки, и жизнь использует левостороннюю разновидность этих аминокислот. Хотя жизнь, основанная на правосторонних аминокислотах, предположительно, работала бы нормально, в биологии два зеркальных отображения редко смешиваются, и это свойство жизни называется гомохиральностью. Для ученых остается загадкой, почему жизнь выбрала левостороннюю разновидность, а не правостороннюю.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это молекула, которая содержит инструкции по построению и функционированию живого организма. Однако ДНК сложна и специализирована; она «передает» работу по чтению инструкций молекулам РНК (рибонуклеиновой кислоты) и построению белков молекулам рибосом. Специализация и сложность ДНК приводят ученых к мысли, что что-то более простое должно было предшествовать ей миллиарды лет назад во время ранней эволюции жизни. Ведущим кандидатом на это является РНК, которая может как хранить генетическую информацию, так и строить белки. Гипотеза о том, что РНК могла предшествовать ДНК, называется гипотезой «мира РНК».

Если предположение о мире РНК верно, то, возможно, что-то в РНК заставило ее отдавать предпочтение построению левосторонних белков по сравнению с правосторонними. Однако новая работа не подтвердила эту идею, углубив тайну того, почему жизнь пошла развиваться с левосторонними белками.

В ходе эксперимента были протестированы молекулы РНК, которые действуют как ферменты для создания белков, называемые рибозимами. «Эксперимент продемонстрировал, что рибозимы могут отдавать предпочтение как левым, так и правым аминокислотам, что указывает на то, что РНК в целом не обязательно будет иметь сильную предвзятость в отношении формы аминокислот, которую мы наблюдаем в биологии сейчас», — сказала Ирен Чен из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), автор исследования.

В ходе эксперимента ученые смоделировали то, что могло быть условиями ранней Земли в мире РНК. Они инкубировали раствор, содержащий рибозимы и предшественники аминокислот, чтобы увидеть относительные проценты правосторонней и левосторонней аминокислоты, фенилаланина, которые он мог бы помочь произвести.

Они протестировали 15 различных комбинаций рибозимов и обнаружили, что рибозимы могут отдавать предпочтение как левосторонним, так и правосторонним аминокислотам. Это предполагает, что РНК изначально не имела химической предрасположенности к одной форме аминокислот. Такое отсутствие предпочтения ставит под сомнение представление о том, что ранняя жизнь была предрасположена к выбору левосторонних аминокислот, которые доминируют в современных белках.

«Результаты исследования свидетельствуют о том, что окончательная гомохиральность жизни могла быть не результатом химического детерминизма, а могла возникнуть под более поздним эволюционным давлением», — говорят ученые.

Пребиотическая история Земли лежит за пределами самой старой части ископаемых, которая была стерта тектоникой плит — медленным колебанием земной коры. В это время планета, вероятно, подвергалась бомбардировке астероидами, которые могли доставить некоторые строительные блоки жизни, такие как аминокислоты. Параллельно с химическими экспериментами другие исследователи происхождения жизни изучают молекулярные свидетельства, полученные из метеоритов и астероидов.

«Понимание химических свойств жизни помогает нам узнать, на что обращать внимание при поиске жизни по всей Солнечной системе», — сказал соавтор исследования Джейсон Дворкин, старший научный сотрудник по астробиологии в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте.

«Мы анализируем образцы OSIRIS-REx на хиральность (направленность вращения) отдельных аминокислот, и в будущем образцы с Марса также будут тестироваться в лабораториях на предмет наличия жизни, включая рибозимы и белки».

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.