Уже много десятилетий биологи, химики и даже математики работают над проблемой зарождения жизни. И хотя уже существуют научно обоснованные и подкрепленные гипотезы химической эволюции до появления первой клетки, работы в этом направлении продолжаются. «Лента.ру» рассказывает о новом исследовании, посвященном проблеме РНК-мира, результаты которого опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученые из Портлендского государственного университета, проводя эксперименты над рибозимами, выяснили, что способность этих молекул катализировать собственную сборку зависит от их взаимодействия с другими подобными молекулами. Исследование косвенно подкрепляет гипотезу РНК-мира, которая гласит, что первой органической молекулой, ставшей основой для первых клеток, была РНК. Эти молекулы РНК были способны самосинтезироваться, конкурировать друг с другом и участвовать в пребиотической эволюции, когда наиболее успешные соединения становились базой для более сложных химических комплексов.
Многим известно, что в живых клетках имеются свои специальные катализаторы: ферменты, представляющие собой сложно свернутые белковые молекулы, осуществляющие жизненно важные реакции. Однако ферментами могут быть не только белки, но и цепочки РНК. Напомним, РНК — это нуклеиновая кислота, очень похожая на ДНК, но отличается от нее тем, что в ее состав входит сахар рибоза (а не дезоксирибоза), а одно из азотистых оснований — тимин — заменен на урацил. По мнению ученых, РНК появилась раньше ДНК, поскольку она гораздо стабильнее и может осуществлять каталитические реакции без помощи белков. Молекулы РНК, являющиеся ферментами, называются рибозимами. Как правило, рибозимы катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК.
Одним из самых хорошо изученных рибозимов является Azo — фермент, который изготавливается учеными из самовырезающихся интронов группы I, содержащихся в ДНК бактерии Azoarcus. Интроны — это участки генов, которые не содержат информации о последовательности белка или нуклеиновой кислоты, и вырезаются во время созревания информационной РНК (иРНК). Все интроны группы I катализируют свое собственное вырезание из последовательности РНК. Интересующий ученых интрон-рибозим Azo находится в гене, который кодирует транспортную РНК (тРНК), несущую аминокислоту изолейцин. Внутри клетки Azo, как и другие рибозимы, осуществляет свое собственное вырезание из тРНК, однако в лабораторных условиях он смог научиться осуществлять обратный сплайсинг: рибозим разрезает в определенном месте субстрат — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, кусочки которого остаются прикрепленными к Azo.
Azo состоит примерно из 200 нуклеотидов и может распадаться на два, три или четыре фрагмента, которые спонтанно собираются вместе при температуре 42 градуса Цельсия в присутствии раствора MgCl2. Процесс самосборки начинается со взаимодействия между двумя тройками нуклеотидов (триплетами), принадлежащими разным фрагментам РНК. Когда между триплетами образуются водородные связи по принципу комплементарности, части рибозима меняют свою пространственную структуру и воссоединяются друг с другом. Ученые сфокусировались на реакции самосборки двух фрагментов, которые условно назвали WXY и Z, где W, X, Y и Z представляют собой отдельный участки рибозима длиной примерно в 50 нуклеотидов (Рис.1). На участке W, на переднем конце молекулы РНК, располагается один из триплетов, который участвует в инициации самосборки и называется «внутренней гидирующей последовательностью» (internal guide sequence — IGS). На конце WXY находится триплет tag, который, взаимодействуя с IGS, образует прочную ковалентную связь с фрагментом Z.
Исследователи создали различные варианты (генотипы) фрагментов WXY, меняя нуклеотиды, находящиеся в серединке триплетов IGS и tag (нуклеотиды M и N соответственно). Так как молекулы РНК обычно образованы всего четырьмя типами нуклеотидов, таких вариантов оказалось 16. Например, одним из генотипов может быть 5'-GGG-WXY-CAU-3', а другим 5'-GСG-WXY-CUU-3'. Все эти варианты молекул могут конкурировать друг с другом, формируя различные метаболические сети, в которых общий ресурс — молекула Z — требуется для восстановления целого рибозима.
В своих экспериментах ученые сначала проверили способность каждого генотипа к самосборке в отдельности. Когда M и N формируют пары Уотсона-Крика (то есть по принципу комплементарности, А — U, C — G), скорость самосборки рибозима становится выше, чем для других типов пар. Затем исследователи смоделировали условия теплого «маленького пруда», в котором различные пребиотические молекулы, взаимодействуя между собой, приобретают выгоды друг от друга и ускоряют процессы самоорганизации. Биохимики проследили за поведением генотипов в паре друг с другом, всего ученые изучили 120 пар, состоящих из двух непохожих вариантов WXY. Они измерили скорость каждой реакции, проходившей между молекулами двух генотипов WXY и фрагментами Z внутри отдельных пробирок в течение 30 минут.
Совместив результаты обоих этапов эксперимента и получив скорости самосборки при взаимодействии двух различных генотипов, исследователи поставили эволюционный эксперимент. Пары генотипов были смешаны в одинаковой пропорции, снабжены Z-фрагментами и реагировали друг с другом в течение пяти минут. В течение этого времени ученые отбирали 10 процентов раствора в новую пробирку, в которой присутствовало большее количество непрореагировавших WXY каждого генотипа и Z-фрагменты. Ученые отслеживали соотношения каждого WXYZ-генотипа в течение восьми таких переносов. Это позволило оценить химический эквивалент эволюционной успешности рибозимов в течение поколений, которая наблюдалась как «взрыв» — то есть сильное увеличение скорости самосборки РНК. В эволюционном эксперименте биологи изучали взаимодействие семи пар рибозимов.
На основе всех лабораторных экспериментов ученые вывели математическую модель дифференциальных уравнений, учитывающих скорость самосборки генотипов в присутствие других генотипов или без них. Эта модель стала основой для новой эволюционной теории игр, где определяются несколько поведений молекул РНК. В одном случае, называемом «Доминирование», один из генотипов всегда встречается чаще, чем другой, при том что его скорость самосборки всегда превышает скорость конкурента. В другом случае — «Кооперация» — оба генотипа, что взаимодействуют друг с другом, получают от «сотрудничества» выгоду, и скорость их самосборки превышает ту, что была бы у них в отдельности друг от друга. «Эгоистичный сценарий» — прямая противоположность «Кооперации» — означает, что каждый рибозим в отдельности получает больше, чем при взаимодействии с кем-то еще. И, наконец, в «Контрдоминировании» генотип с низкой скоростью самосборки неожиданно начинает встречаться чаще, чем его конкурент.
Это исследование не направлено на прямое доказательство гипотезы РНК-мира, однако оно представляет собой еще один элемент в мозаике научных представлений о пребиотической эволюции. Впервые показано, что энзиматические свойства отдельных молекул могут улучшаться в присутствии других молекул, которые отличаются всего лишь одним-двумя нуклеотидами. В гигантском растворе, которым были земные океаны на заре существования жизни, эти молекулы конкурировали друг с другом за субстраты, сотрудничали и усиливали свое действие. На основе этого уже можно предполагать, почему сложные органические соединения стремились объединяться в системы, представляющие собой прообразы первых клеток.
Александр Еникеев
Комментирование разрешено только первые 24 часа.
2 +3−1 | Yemelya Kolovrat | 03:15:28 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Вы несете чушь. Даже по последним изысканиям никакие алгоритмы работы мозга ( даже примитивного ) не известны. |
2 +2−0 | Константин Гордецкий | 03:00:20 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Это работница с Ленинградки))) |
2 +3−1 | Константин Гордецкий | 02:57:52 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Стукнул Вас кадилом? |
2 +3−1 | Руслан Сверчков | 02:50:59 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
вы таки будете очень сильно удивлены но есть алгоритмы которые именно так и работают) Называются (внимание, щас будет вообще неожиданно) генетическими. Но вы бы это знали если бы были программистом) Хотя о чем это я, зачем вам знания, у вас же вера есть) |
2 +3−1 | Егор Лысенко | 02:42:53 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Ну, собственно, теории зарождения вселенной и пытаются это объяснить - большой взрыв - время - плазма - материя - физ законы и величины - флуктуации - образования струкутр (это все примерно и скорее всего не в том порядке и совсем даже не верно).... На то и эволюция - ведь по нашим данным вселенной около 13,5 - 14 млрд. лет... а зазнавшемуся прыщу под названием homo sapiens всего сто с лишним тысяч лет.... но он во всеуслышанье орет в направление всех двухсот млрд галактик, что Создатель всех двухсот млрд. звезд в каждой из этих галактик сделал это исключительно ради этого "прыща" |
2 +3−1 | Илья Ковров | 02:20:58 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
И чем же, если не секрет? |
2 +3−1 | Илья Ковров | 02:17:51 19/04/2016 |
Что-то не заметил ни малейшей логический связи между продвижением в познании тайны появления жизни и существованием Бога? Как одно мешает другому? |
2 +3−1 | Злоцараптор | 01:58:27 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
и вот ещё Григорий, вы поинтересуйтесь сколько Богов существует на планете, а сколько существовало и заметьте для тех кто в них верил или верит - это истинные боги, а для тех кто верит в других - ложные ? |
1 +1−0 | Илья Ковров | 11:46:52 20/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Ваш ответ на мой вопрос меня не удовлетворяет. Вы выдвигаете фантастические теории в ответ на пример из практики. Мне же хотелось услышать более приземленное объяснение. И раз уж вы решили, что авторитетное мнение указанных вами ученых-исследователей в области разума кажется полезным, то с отсылкой на пояснения этих ученых. Этого я не увидел. Что до ваших вопросов, то пожалуй могу ответить вам той же монетой: 1) Вселенная создана не для человека, а в том числе и для человека. И чего вы взяли, что ей именно 13,5 млрд. лет? С чего вы взяли, что элементарные частицы незыблимы, не обладают способностью к своей аннигиляции, и к своему возникновению? 2) см. п.1 - касательно времени, с отсылкой на ключевой вопрос теории устройства материального мира "а откуда взялась первичная материя?" 3) Церковь и Бог - это совершенно разные, слабо связанные друг с другом категории. Роль Церкови - это лишь роль одного из посредников между Богом и человеком. Причем далеко не самым близким (доверенным). И если посредник оступается, то это может означать лишь то, что посредник оступается. 4) Потому что наш мир подчинен определенным универсальным законам. Один из них таков: всякое сложной состоит из множества простого. Атом и Солнечная система устроены аналогично. Совокупность молекул и Вселенная устроены аналогично. 5) (у вас вне пунктов, последним абзацем) Мой пример связан с понятием "бессмертия души" напрямую. На мой взгляд подобное выходит за рамки способностей обычного человеческого разума, что подразумевает участи Разума Высшего, более осведомленного. Контактных колодок, кабелей и проводов, каких-либо электродов я не вижу, и поэтому могу полагать, что подобное происходит на более низком, атомарном уровне. И если нечто обладает способностью внушить мысль, или предсказать с высокой вероятностью отдаленное событие, то, полагаю, скопировать матрицу сознания в нужный момент времени для него не представляет каких-либо затруднений. Так же, как мы копируем файлы на флешку. |
1 +1−0 | Илья Тахтамыш | 02:58:29 20/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Я с детства был убежденным атеистом, однако гдето лет с 20 стал наверное больше агностиком, чем атеистом. Я не могу отрицать существование бога, теоретически он возможен, наверное я даже уверен, что есть какое-то разумное сверх существо. Вот только все мировые религии, не имеют к нему почти никакого отношения. Возможно вселенная является его частью или механизмом для решения какой-то задачи. Однако я считаю что религии все-таки нужны. Действительно если религия дает кому-то смысл жизни, покой, моральные и этические ориентиры, значит всетаки в ней есть позитивная социальная функция. Вообще я считаю что религии возникли в результате эволюции(в широком смысле) и на определенном этапе развития человечества необходимы и даже наверное дают конкурентное преимущество |
1 +1−0 | Илья Тахтамыш | 02:44:49 20/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Атеизм - это отвержение веры в существование богов и прочие сверхестественные сущности и только. Атеист не может верить в сатану так же как и в бога по определению этого термина. Хотя некоторые верующие люди вкладывают в это слово другие смыслы. Причина банальна - отрицание бога в их вере один из смертных грехов, а покровитель грешников как известно сатана. |
1 +2−1 | Егор Лысенко | 00:54:10 20/04/2016 | ||||||
| ||||||||
простите, что? морально-нравственный вакуум возникший на почве атеизма? В научной фантастике больше гуманизма и нравственности, чем в вашей религии в разы: произведения братьев Стругацких, А. Кларка, С. Лема, К. Саймака, Р. Бредбери, А. Азимова, Ф. Дика и многих других пронизаны гуманизмом и нравственностью, так что вы лукавите... Как много людей вы запугали "сатанизмом", то есть тем, что если они будут отрицать бога, то планомерно придут в сатанизм? Детей, просто глупых и слабых людей? Как вот эта ложь кореллируется с учением Христа? Это же явное давление на человеческие слабости, банальный обман под витиеватыми "заумными" речами... Спите хорошо, совесть не мучает? |
1 +1−0 | Gary Golden | 22:04:48 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Притом, что вся религиозная мораль и добродетель - не более чем пустышка. Настоящий человек добродетелен без всякой религии. Поэтому религиозные люди мне отвратительны. Вы все лицемеры, желающие погрузить мир в своё лицемерие. |
1 +1−0 | Илья Ковров | 21:16:16 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Конечно, можно. Но вы уверены, что способны понять все то, что вам покажут? Если да, то почему вам это до сих пор не показали, или почему вы это до сих пор так и не поняли? |
1 +1−0 | Илья Ковров | 20:30:02 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Ну как же вы не понимаете как атеизм ведет к сатанизму? Вы, вероятно, лукавите? Возьмите пример тех же бывших граждан Советского Союза, которые практически насильно и без какой-либо возможности для проявления собственного воли ставших атеистами. Подскажите во что трансформировался атеизм в эпоху морально-экономической деградации? Лишь наиболее обеспеченная часть могла позволить себе сохранить свои привычки и взгляды. Большая часть нашла убежище в гавани Церкви. А оставшиеся, припомните-ка куда вышли? Расскажите-ка мне о вспышке интереса к сектизму, нацизму, фашизму, сатанизму, родственным молодежным движениям, хотя бы тем же готам. Вы думаете так просто заполнить морально-нравственный вакуум возникший на почве атеизма? Атеизм - вера находящаяся как раз между верой в Бога и верой в Сатану. И отказавшись от второго, прийти к последнему без посещения первого попросту невозможно. Можно не прийти, верно. Но можно и прийти. |
1 +1−0 | qwerty qwerty | 18:08:45 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
Жили были Ох и Ах Всё им было пох и нах |
1 +1−0 | Tatiana Zhilyaeva | 17:53:27 19/04/2016 | ||||||
| ||||||||
с чего вы это взяли? и сейчас ежедневно, в каждом новом поколении происходят мутации (являющиеся сутью эволюции), организмы исчезают, появляются... если вы этим не интересуетесь и не изучаете, это не означает, что этого не происходит ) И да, даже человек постоянно мутирует и приспосабливается к окружающей среде. Почитайте о том, как выглядели люди даже 50-70 лет назад, какой был средний рост, как выглядела мочка ушей, например... почитайте, как давно появились голубоглазые люди и блондины )) |
1 +1−0 | Xin Qilin | 17:27:23 19/04/2016 |
1. Выявлена способность МОЛЕКУЛ РИБОЗИМ (ферментативной и каталитической части РНК) катализировать собственную сборку во взаимодействии с другими подобными молекулами. То есть частично подтвердили гипотезу организации жизни из «РНК-жизни» 2. По этой гипотезе цепочки молекул РНК способны синтезироваться (из чего? Из химических соединений? НЕТ. Только из частей и обрывков цепочек РНК, вот этих рибозим , то есть эти части конкурируя друг с другом участвуют в собственной сим-биотической эволюции (например по принципу комплементарности, то есть соединение ранее не соединяемого и даже противоположного, но дополняющего целое). 3. А потом такие успешно выжившие и использующие внешнее питание метаболические сети образовали «долг играющие» гармоничные РНК-соединения, которые потом становились базой для еще более сложных комплексов РНК-жизни и т.д. и т.п, то есть началась пре-биотическая эволюция. 4. Таким же образом различные формы РНК с учетом различных принципов ( полный «эгоизм», «доминирование» с удержанием «контр доминирования», «кооперация») заполонили все «хорошие» среды для своего существования на планете Земля. 5. А когда ресурсов стало не хватать, то усложнились и до ДНК-жизни, но пока это не подтвердили. Как итог: чего-то ничего нового… |
1 +1−0 | S F | 17:00:41 19/04/2016 |
ммм... лента теперь ТАКИЕ названия дает НАУЧНЫМ статьям? %-(((( о темпоро, уморес! (ц) |
1 +1−0 | sai mun | 16:31:57 19/04/2016 |
ну теперь все понятно... |