Исследование, проведенное учеными университета Мюнхена показывает, что фундаментальные характеристики мополимерных молекул, такие как их субъединый состав, достаточны для запуска процессов отбора в вероятной пребиотической обстановке.
До появления жизни на Земле многие физико-химические процессы на нашей планете были крайне хаотичными. Множество мелких соединений и полимеров различной длины, состоящих из субъединиц (таких как основания, обнаруженные в ДНК и РНК), присутствовали во всех мыслимых комбинациях.
Прежде чем могли возникнуть жизнеподобные химические процессы, уровень хаоса в этих системах должен был быть снижен. В новом исследовании физики LMU во главе с Дитером Брауном показали, что основные свойства простых полимеров вместе с определенными аспектами пребиотической среды могут привести к процессам отбора, которые уменьшают беспорядок.
В предыдущих публикациях исследовательская группа Брауна исследовала, как пространственный порядок мог развиваться в узких, заполненных водой камерах внутри пористых вулканических пород на морском дне.
Эти исследования показали, что при наличии разности температур и конвективного явления, известного как эффект Соре, нити РНК могут локально накапливаться на несколько порядков в зависимости от длины. «Проблема в том, что последовательности оснований более длинных молекул, которые мы получаем, совершенно хаотичны», — говорит Браун.
Эволюционировавшие рибозимы (ферменты на основе РНК) имеют очень специфическую последовательность оснований, которая позволяет молекулам складываться в определенные формы, в то время как подавляющее большинство олигомеров, образовавшихся на Ранней Земле, скорее всего, имели случайные последовательности.
«Общее число возможных базовых последовательностей, известных как «пространство последовательностей», невероятно велико», — говорит Патрик Куделла, первый автор нового отчета.
«Это делает практически невозможным собрать сложные структуры, характерные для функциональных рибозимов или сопоставимых молекул, чисто случайным процессом.» Это заставило команду LMU заподозрить, что расширение молекул с образованием более крупных «олигомеров» подчиняется какому-то механизму предварительного отбора.
Во времена зарождения жизни существовало лишь несколько очень простых физических и химических процессов по сравнению со сложными механизмами репликации клеток, поэтому выбор последовательностей должен основываться на окружающей среде и свойствах олигомеров.
Вот тут-то и вступают в дело исследования группы Брауна. Для каталитической функции и стабильности олигомеров важно, чтобы они образовывали двойные нити, подобные хорошо известной спиральной структуре ДНК. Это элементарное свойство многих полимеров и позволяет создавать комплексы как с двух -, так и с одноцепочечными частями. Одноцепочечные детали могут быть восстановлены двумя способами.
Во-первых, путем так называемой полимеризации, при которой нити завершаются одиночными основаниями с образованием полных двойных нитей. Другой — это то, что известно как перевязка. В этом процессе более длинные олигомеры соединяются вместе. Здесь образуются как двухцепочечные, так и одноцепочечные части, которые обеспечивают дальнейший рост олигомера.
«Наш эксперимент начинается с большого количества коротких нитей ДНК, и в нашей модельной системе для ранних олигомеров мы используем только два комплементарных основания — аденин и тимин», — говорит Дитер Браун. «Мы предполагаем, что связывание нитей со случайными последовательностями приводит к образованию более длинных нитей, базовые последовательности которых менее хаотичны.»
Затем группа Брауна проанализировала смеси последовательностей, полученные в этих экспериментах, используя метод, который также используется при анализе генома человека. Тест подтвердил, что энтропия последовательности, т. е. степень беспорядка или случайности в восстановленных последовательностях была фактически уменьшена в этих экспериментах.
Исследователи также смогли выявить причины этого «самогенерирующегося» порядка. Они обнаружили, что большинство полученных последовательностей делятся на два класса — с базовыми композициями либо 70% аденина и 30% тимина, либо наоборот.
«При значительно большей доле одного из двух оснований нить не может сложиться сама по себе и остается в качестве партнера реакции для лигирования», — объясняет Браун. Таким образом, в реакции практически не образуются нити с половиной каждого из двух оснований. «Мы также видим, как небольшие искажения в составе короткого пула ДНК оставляют отчетливые позиционно-зависимые мотивные паттерны, особенно в длинных нитях продукта», — говорит Браун.
Результат удивил исследователей, потому что нить всего из двух разных оснований с определенным соотношением оснований имеет ограниченные способы дифференциации друг от друга. «Только специальные алгоритмы могут обнаружить такие удивительные детали», — говорят ученые.
Эксперименты показывают, что простейшие и наиболее фундаментальные характеристики олигомеров и их окружения могут служить основой для селективных процессов. Даже в упрощенной модельной системе могут вступать в действие различные механизмы отбора, которые оказывают влияние на рост нитей в различных масштабах длины и являются результатом различных комбинаций факторов.
По мнению Дитера Брауна, эти механизмы отбора были предпосылкой для образования каталитически активных комплексов, таких как рибозимы, и поэтому сыграли важную роль в возникновении жизни из хаоса.