Все решает один атом: как РНК могла запустить жизнь на Земле

Исследователи из Университета Буффало обнаружили, что ключевое отличие РНК от ДНК — всего один лишний атом кислорода в сахарном звене, объясняет, почему РНК легче собирается в защитные капли при нагревании и образует более плотные гелеподобные структуры. Это открытие опубликовано в журнале Nature Communications и помогает понять, как хрупкие молекулы РНК могли выживать и взаимодействовать на ранней Земле еще до появления первых клеток.

Вопрос о том, как зародилась жизнь, часто сравнивают с загадкой курицы и яйца. В центре этой головоломки стоит РНК, молекула, которая умеет и хранить наследственную информацию, и ускорять химические реакции. Но вот парадокс: чтобы РНК могла творить чудеса биохимии, ей нужна защита и соседство с другими молекулами, а настоящие клетки с мембранами тогда еще не существовали. В первичном «бульоне» ранней Земли одинокие нити РНК были бы слишком разрознены и беззащитны перед жарой, кислотой и ультрафиолетом.

Сегодня ученые все чаще склоняются к мысли, что выходом могло стать образование капель. Как масло в воде, РНК способна самопроизвольно собираться в крошечные жидкие сгустки, которые не имеют оболочки, но удерживают молекулы вместе. Внутри такой капли концентрация РНК возрастает многократно, реакции идут быстрее, а сама капля служит естественным убежищем от агрессивной среды.

Новое исследование пошло дальше и задалось вопросом: а почему именно РНК, а не ее «родственница» ДНК, так хорошо образует эти капли? Ведь структурно они почти близнецы. Разница всего один атом кислорода в каждой сахарной единице: у РНК есть гидроксильная группа 2′-OH, а у ДНК ее нет. Это крошечное отличие оказалось решающим.

В экспериментах ученые нагревали растворы с РНК и сравнивали их с растворами одноцепочечной ДНК, имеющими те же последовательности букв-нуклеотидов. Оказалось, что РНК начинает собираться в капли примерно на десять градусов ниже, чем ДНК, то есть ей требуется меньше тепла для запуска этого процесса. Более того, внутри капель РНК молекулы легче переплетаются друг с другом, превращая жидкую каплю в более вязкий, гелеобразный материал. Это состояние, похожее на желе, лучше защищает молекулы от разрушения и дольше сохраняет их активными.

Чтобы понять механизм, команда ученых использовала специальную микроскопию, рентгеновское рассеяние и компьютерное моделирование. Выяснилось, что лишняя гидроксильная группа РНК притягивает положительно заряженные ионы магния, которые действуют как «мостики» между нитями. Одновременно РНК удерживает меньше молекул воды вокруг своей цепи, чем ДНК, это облегчает сближение молекул при нагревании. Когда исследователи искусственно заменили эту гидроксильную группу на другую (2′-O-метильную), способность РНК к образованию капель резко снижалась, а переход в гелевое состояние нарушался. Это подтвердило, что именно один атом кислорода управляет всем процессом.

Результаты открывают неожиданный взгляд на эволюцию: возможно, именно это крошечное химическое различие дало РНК преимущество в суровых условиях ранней планеты. Капли могли служить прото-клетками, миниатюрными реакторами, где РНК могла копироваться, мутировать и взаимодействовать, пока наконец не появились более сложные системы с мембранами и белками.

Сейчас лаборатория идет дальше: исследователи пытаются «запрограммировать» такие РНК-капли на выполнение настоящих клеточных задач, например, на проведение биохимических реакций. В перспективе это может даже привести к созданию полностью синтетических клеток на основе РНК, которые будут работать без привычных мембран.

В результате работа показала, что всего один лишний атом кислорода в кольце РНК кардинально меняет ее поведение: она легче сворачивается в защитные капли при нагреве и образует внутри них плотные гелевые сети, что повышает выживаемость молекул. Это открытие приближает нас к пониманию того, как из хаоса простых молекул могли возникнуть упорядоченные структуры, ставшие предшественниками первых живых клеток.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях