Мы всегда считали, что рибонуклеиновая кислота (РНК) слишком проста для выполнения серьезных функций.
Эта догма начинает трещать по швам. Новое исследование предполагает, что РНК способна создавать массивные и изощренные структуры: нити и клетки-контейнеры. Оказалось, что это был не просто скромный генетический носитель, ожидающий прихода белков, которые «спасут день». Гипотеза о «мире РНК» давно утверждала, что РНК предшествовала ДНК и белкам, однако устоявшаяся мудрость гласила, что эти ранние молекулы могли формировать лишь крошечные и элементарные складки. Эта точка зрения может оказаться полностью ошибочной.
Смена парадигмы важна, поскольку она переписывает историю происхождения жизни.
Почему сложность РНК меняет наше представление о рассвете жизни
Десятилетиями разрыв был очевидным. Белки используют двадцать разных аминокислот, что дает им огромную палитру. У РНК же лишь четыре нуклеотида. Логика была проста: РНК lacked разнообразия, необходимого для сворачивания во что-либо сложное. Она не могла строить структуры. Она не могла катализировать сложные реакции без помощи. Белки вступили в игру, взяли управление на себя и закрепили биологическую систему.
Но эта логика предполагает, что ограниченное разнообразие означает ограниченность структур.
В недавней статье, опубликованной на bioRxiv, Линь Хуанг из Университета Сунь Ятсена высказывает иную точку зрения. Хуанг и его команда обнаружили, что РНК способна на вещи, которые мы никогда раньше не видели. Исследование еще не прошло рецензирование, но изображения, полученные с помощью криоэлектронной микроскопии, поражают. Они показывают, как РНК собирает крупные комплексы, способные конкурировать с белковыми архитектурами.
Это напрямую оспаривает предположение о том, что только белки способны создавать elaborate геометрию.
«Это предполагает, что на заре «мира РНК» молекулы могли собираться в формы всевозможных конфигураций», — заявил Хуанг изданию Live Science.
Какие механизмы позволяют РНК строить крупные структуры
Секрет не в большем количестве ингредиентов. Дело в том, как детали соединяются друг с другом.
Исследователи сосредоточились на так называемых «поцелуях стеблевых петель». Представьте шнурок, завязанный петлей. Если другая петля из шнурка прижмется к ней — они «поцелуются», слипнутся и свяжутся вместе. Команда проанализировала последовательности РНК и нашла семейства бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии), которые использовали именно этот механизм.
Вот что произошло, когда они протестировали это в лаборатории:
- Они очистили молекулы РНК.
- Они позволили им собираться в чашке Петри.
- Короткие нити (менее 200 единиц каждая) мгновенно заняли свои места.
Результат был немедленным и надежным.
Некоторые структуры сформировали нити, напоминающие цитоскелет современных клеток. Цитоскелет перемещает вещества внутри клетки и поддерживает её форму. Если ранняя РНК могла выполнять эту функцию, то жизнь могла приобрести структурную организацию очень рано.
Другие образовали икосаэдрические клетки. Представьте футбольный мяч: двадцать треугольников, образующих сферу. Современные герпесвирусы используют белковые клетки (капсиды) для защиты своей ДНК. Могла ли древняя РНК строить собственные контейнеры вирусных размеров? Возможно. Геометрия сходится.
Где в природе существуют эти структуры РНК
Вот в чем загвоздка. Структуры сформировались в чашке Петри. Это не означает, что они обязательно образуются внутри бактерий, которые являются носителями этих вирусов.
Команда Хуанга пока не наблюдала этого процесса in vivo (в живом организме). Внутри реальной клетки повсеместно присутствующие белки могут нарушать эти связи РНК. Или, возможно, белки помогают им? Мы не знаем. Лабораторная среда стерильна. Клетки — хаотичны.
Анна Медвеги, эволюционный биолог, не участвовавшая в этом исследовании, выразила обеспокоенность другого рода. Дело не только в химии. Речь идет о среде обитания.
«Я определенно считаю, что параметры окружающей среды вызывают вопросы», — написала Медвеги. «Могут ли эти структуры формироваться в той среде, где существовал гипотетический «мир РНК»?»
Если рассвет на Земле означал кипящую жару или низкий уровень pH, выжили бы эти «поцелуи» петель? Возможно. Но если «приготовить» РНК, она распадется. Воспроизведение этих добиологических условий для проверки структурной целостности — это следующее препятствие.
Короткие нити РНК легко ломаются. Это серьезная проблема для их долговечности. И все же тот факт, что короткие фрагменты собирали крупные объекты, обнадеживает. Длинные цепи рвутся. Короткие тоже рвутся. Но если короткие фрагменты соединяются в стабильные сети или клетки, они могли перенести хаос ранней Земли лучше, чем мы думали.
Действительно ли РНК делала это четыре миллиарда лет назад?
Мы не можем вернуться назад, чтобы проверить.
У нас есть только эти прекрасные, хрупкие клетки, сидящие в чашках Петри. Это доказательство потенциала, а не истории. Но потенциал важен. Это означает, что инструменты были там. Чертежи существуют в вирусах, которые мы видим сегодня. Возможно, жизнь не была такой медленной и неуклюжей в самом начале, как мы воображали. Возможно, с первого дня она строила скелеты и щиты.
Или, возможно, условия были просто слишком жаркими.
Кто знает? Лаборатория говорит «да». Земля говорит: «Погодите и посмотрим».
