Изображение: NASA/Jenny Mottar
Исследователи из Технологического института Джорджии, возможно, добились успеха в определении происхождения жизни, идентифицируя три различные молекулы, которые самоорганизуются, чтобы сформировать молекулярную структуру с особенностями, характерными для современной РНК.
РНК — или рибонуклеиновая кислота — выполняет инструкции, закодированные в ДНК, но также считается, что она появилась до ДНК. Многие ученые считают, что нуклеиновые кислоты сыграли ключевую роль в происхождении жизни.
Популярная теория, названная «RNA World», утверждает, что РНК «изобрела» белки и, в конечном счете, ДНК, но возникает вопрос, откуда появилась сама РНК? Некоторые исследователи считают, что химический или биологический процесс постепенно превращал более раннюю молекулу в РНК, в то время как другие ученые полагают, что РНК появилась в результате какой-то неферментативной, геохимической реакции.
Это напоминает дискуссию о курице и яйце: какой биологический процесс может создать центральный строительный блок для самой жизни? Если процесс не был биологическим, то что это было и как все это произошло?
Новое исследование продолжается в традиции эксперимента Миллера–Юри 1953 года, в котором два ученых моделировали ранние земные условия смесью газов и электрического тока для имитации молний. Тот эксперимент позволил получить аминокислоты, поддерживая идею о том, что биологические молекулы могут спонтанно возникать из небиологических при правильных условиях. Несмотря на этот вывод, задача разработки сценария, в котором небиологические реакции создают РНК, до сих пор казалась непреодолимой.
Один из авторов настоящего исследования, биохимик Николас Худ, отмечает, что многие критерии образования РНК часто означают, что, когда исследователи предлагают решение одной проблемы, возникает другая проблема (или сразу две). Звенья цепи РНК, называемые нуклеотидами, состоят из четырех оснований: аденина (а), цитозина (с), гуанина (G) и урацила (U), а также фосфата и рибозного сахара. Лесли Оргель, которая была пионером идеи «Мира РНК», описала возможность того, что РНК эволюционировала из более ранней молекулы как весьма «туманной перспективой». Исследователи решили, что пришло время столкнуться с этой проблемой.
Повторный анализ эксперимента Миллера–Юри, проведенный в 2008 году, показал производство гораздо большего количества небиологических молекул, чем считалось ранее, что лежит в основе гипотезы авторов о том, что молекулы, необходимые для жизни, существовали на пребиотической Земле, но поскольку они не играют большой роли в жизни, какой мы ее знаем, мы не выяснили, какие молекулы или роли они играли все эти миллиарды лет назад.
По словам Николаса Худа, эти молекулы были «вероятно, очень особенными, потому что молекулы, о которых мы знаем, не ведут себя так, что они могут начать жизнь». Эти молекулы могут также содержать ответы на другие вопросы о происхождении жизни.
Эволюция к РНК от более ранней генетической молекулы или прото-РНК была бы постепенной, и каждая новая итерация была бы обратно совместимой, например, как обновленный компьютер все еще должен иметь возможность читать файлы со старых компьютеров. Сегодня РНК и ДНК используют водородные пары оснований для передачи информации. Таким образом, молекулы, которые не образуют одинаковые или похожие пары оснований, никогда бы не сработали, что привело исследователей к поиску «молекул спаривания оснований, которые бы самостоятельно выбирали или сегрегировали себя на ранней Земле в какую-то структуру, которая помогла бы им быть включенной в прото-РНК.
Поиск исходных молекул
Что это были за первичные молекулы, которые сформировали предка РНК? Чтобы определить это, исследователи изучали реакции в условиях, имитирующих циклы дождя и испарения на ранней Земле. После многих неудачных экспериментов ученые выявили три молекулярных кандидата оснований прото-рнк: барбитуровую кислоту, меламин и 2, 4, 6-триаминопиримидин. В реакциях с этими молекулами и рибозным сахаром образуются нуклеозиды, которые являются составными молекулами, близкими к субъединицам РНК.
В то время как предыдущие попытки либо не удались, либо образовали нуклеозиды только с очень низким выходом, исследователи измерили выход нуклеозида 82% с барбитуровой кислотой. Кроме того, меламин и молекулы триаминопиримидина спонтанно образовали нуклеозиды с выходом более 50%.
«Молекулы, которые мы идентифицировали, выглядят так, как будто они могли функционировать в ранней генетической системе», — говорит Николас Худ. «Но мы хотим, чтобы молекулы были достаточно близки, чтобы представить себе эволюционный путь, где они меняются в то, что мы имеем сегодня». Хотя исследователи сделали шаг вперед, остается вопрос, можно ли найти и затем подтвердить исходные молекулы протоРНК.
Ученые признают, что, хотя поиск может показаться сложным, «химия обширна, но не бесконечна. Если принять несколько разумных предположений о предке РНК, то можно исключить множество возможностей. И, возможно, мы сможем его найти.» Это исследование представляет собой важный шаг на чрезвычайно сложном пути.
Выяснение того, как сформировалась РНК, может также помочь в поиске внеземной жизни. Мы можем получить ценную информацию о ключевых проблемах, которые необходимо преодолеть, чтобы жизнь возникла из не-жизни
Понимание того, как возникает жизнь может помочь ученым определить, где и как искать жизнь в другом месте. Аминокислоты и химические соединения, такие как цианид водорода, который был обнаружен в кометах, могут привести к образованию оснований РНК. Такая реакция была бы «прочной, а не странной или экстраординарной», говорит Николас Худ. Подобные процессы могут происходить и на других планетах и могут указывать на химию, которую ученые должны искать при поиске самых ранних стадий жизни в других местах.
Brian J. Cafferty et al. Searching for Possible Ancestors of RNA: The Self-Assembly Hypothesis for the Origin of Proto-RNA, Prebiotic Chemistry and Chemical Evolution of Nucleic Acids (2018). DOI: 10.1007/978-3-319-93584-3_5