Несмотря на впечатляющее разнообразие, почти каждая форма жизни на Земле — от микроскопических бактерий до огромных китов — имеет один и тот же генетический код. Как и когда возник этот код, стало предметом многочисленных научных споров.
Используя новый подход к старой проблеме, исследователи обнаружили веские доказательства того, что популярная версия о том, как эволюционировал универсальный генетический код, нуждается в пересмотре.
В статье, опубликованной в журнале PNAS, предполагается, что порядок, в котором были задействованы аминокислоты — строительные блоки кода — противоречит тому, что широко считается «консенсусом» эволюции генетического кода.
«Генетический код — это удивительная вещь, в которой цепочка ДНК или РНК, содержащая последовательности из четырех нуклеотидов, транслируется в белковые последовательности с использованием 20 различных аминокислот», — сказала Джоанна Масел, старший автор статьи и профессор экологии и эволюционной биологии. «Это невероятно сложный процесс, и наш код на удивление хорош. Он почти оптимален для целой кучи вещей, и он, должно быть, эволюционировал поэтапно».
Исследование показало, что ранняя жизнь предпочитала более мелкие молекулы аминокислот более крупным и сложным, которые были добавлены позже, в то время как аминокислоты, которые связываются с металлами, присоединились гораздо раньше, чем считалось до этого. Наконец, ученые обнаружили, что сегодняшний генетический код, вероятно, появился после других кодов, которые с тех пор исчезли.
Авторы утверждают, что современное понимание того, как эволюционировал код, ошибочно, поскольку оно опирается на вводящие в заблуждение лабораторные эксперименты, а не на эволюционные доказательства.
Например, один из краеугольных камней традиционных взглядов на эволюцию генетического кода покоится на знаменитом эксперименте Миллера-Юри 1952 года, в котором была предпринята попытка смоделировать условия на ранней Земле, которые, вероятно, были свидетелями зарождения жизни.
Генетический код — это удивительная вещь, в которой цепочка ДНК или РНК, содержащая последовательности из четырех нуклеотидов, транслируется в белковые последовательности с использованием 20 различных аминокислот
Хотя эксперимент был ценным для демонстрации того, что неживая материя может дать начало строительным блокам жизни, включая аминокислоты, посредством простых химических реакций, его последствия были поставлены под сомнение. Например, он не дал никаких аминокислот, содержащих серу, несмотря на то, что этот элемент был в изобилии на ранней Земле. В результате, как полагают, серные аминокислоты присоединились к коду гораздо позже. Однако результат вряд ли удивителен, учитывая, что сера была исключена из ингредиентов эксперимента.
По словам соавтора исследования Данте Лауретты, профессора планетологии и космохимии, богатая серой природа ранней жизни дает знания для астробиологии, особенно для понимания потенциальной обитаемости и биосигнатур внеземных сред.
«На таких мирах, как Марс, Энцелад и Европа, где преобладают соединения серы, это может дать нам информацию для поиска жизни, выделив аналогичные биогеохимические циклы или микробный метаболизм», — сказал он. «Такие идеи могут уточнить, что мы ищем в биосигнатурах, помогая обнаруживать формы жизни, которые процветают в богатых серой или аналогичных химических средах за пределами Земли».
Ученые использовали новый метод для анализа последовательностей аминокислот по всему древу жизни, вплоть до последнего универсального общего предка, или LUCA, гипотетической популяции организмов, которая жила около 4 миллиардов лет назад и представляет собой общего предка всей жизни на Земле сегодня. В отличие от предыдущих исследований, в которых использовались полноразмерные белковые последовательности, теперь научная группа сосредоточились на белковых доменах, более коротких участках аминокислот.
«Если представить себе белок как автомобиль, то домен — это колесо», — говорят исследователи. «Это часть, которую можно использовать во многих разных автомобилях, а колеса существуют гораздо дольше, чем автомобили».
Чтобы понять, когда конкретная аминокислота была включена в генетический код, исследователи использовали инструменты статистического анализа данных для сравнения обогащения каждой отдельной аминокислоты в белковых последовательностях, датируемых периодом LUCA и даже более отдаленным периодом времени.
Аминокислота, которая преимущественно встречается в древних последовательностях, скорее всего, была включена в код на раннем этапе. И наоборот, последовательности LUCA обеднены аминокислотами, которые появились позже, но стали доступны к моменту появления менее древних белковых последовательностей.
Ученые идентифицировали более 400 семейств последовательностей, восходящих к LUCA. Более 100 из них возникли еще раньше и уже диверсифицировались до LUCA. Оказалось, что они содержат больше аминокислот с ароматическими кольцевыми структурами, такими как триптофан и тирозин, несмотря на то, что эти аминокислоты были поздними добавлениями к нашему коду.
«Это дает намеки на другие генетические коды, которые существовали до нашего и которые с тех пор исчезли в бездне геологического времени», — сказала Джоанна Масел. «Похоже, что ранняя жизнь любила кольца».
Код это инженерный продукт, поскольку сложность клеточных структур живой матери просто немыслимая и чем глубже в клеточный микромир тем не становится проще. Зачем живой материи такая сложность? Как следствие у Кода есть задача которую он решает. В процессе решения он через Код (ДНК-РНК) и Клетку собирает клеточные симбиозы, которые решают локальные задачи предшествующие решению главной задачи. В том числе изменение среды обитания на такую, в которой можно собирать другие клеточные структуры, например людей, которые переходят к другому этапу в решении задачи. И да, в процессе этого Код сам себя переписывает. Удивительная инженерная работа. Точнее, удивительное инженерное решение. Ну и работа… Подробнее »