Камнем преткновения для теории РНК-мира в течении некоторого времени была неспособность молекул РНК эффективно взаимодействовать с липидными мембранами. Недавно, однако, было показано, что комплексы из нескольких разных молекул РНК и ионов кальция способны не только прикрепляться к мембранам, но и регулировать их проницаемость.
В дальнейшем РНК-организмы приобрели два важных усовершенствования. Во-первых, они научились катализировать синтез аминокислотных полимеров ― сначала коротких пептидов, а затем и длинных белков. Эти вещества стали для РНК-организмов универсальными помощниками, справляющимися с большинством биологических "работ" гораздо лучше, чем рибозимы. Симбиоз РНК и пептидов, вероятно, начал складываться задолго до появления настоящей клетки и генетического кода. Напоминают об этом этапе недавно открытые комплексы из небольших молекул РНК и пептидов, выполняющие множество регуляторных функций, а также строение некоторых важных молекул, таких как кофермент А — рибонуклеотид с прикрепленным к нему пептидоподобным "хвостом".
Поначалу РНК-катализ белкового синтеза, скорее всего, не был строго специфичным: последовательности аминокислот из раза в раз воспроизводились не точно, а лишь приблизительно. Поскольку точность в данном случае резко повышала стабильность живой системы, естественный отбор способствовал выработке все более специфичных каталитических систем. Дело кончилось возникновением универсальной системы специфичного синтеза любого требуемого пептида. Это и был генетический код вкупе с комплексом рибозимов, необходимых для его прочтения.
Чтобы два рибонуклеотида соединились вместе, к одному из них должен быть присоединен дополнительный фосфат (или сразу два). Получившаяся молекула ― рибонуклеотид с лишним фосфатом — содержит в себе большое количество энергии. Эта энергия, при наличии подходящих катализаторов, может быть использована для выполнения разных полезных "работ". В том числе для соединения двух рибонуклеотидов в одну молекулу ― маленькую РНК.
Рибонуклеотиды с дополнительными фосфатами первоначально использовались, скорее всего, только как "строительные кирпичики" при синтезе РНК. Кирпичики, надо сказать, очень удобные ― ведь они включают в себя не только строительный материал, но еще и энергию, необходимую для выполнения строительных работ! Впоследствии они стали использоваться для тысяч других важных дел ― везде, где для выполнения какой-то работы требуется энергия. Все живое и по сей день пользуется фосфорилированными рибонуклеотидами как универсальными поставщиками энергии при выполнении энергоемких задач. Самая известная из этих "энергетических" молекул ― АТФ (аденозинтрифосфат). Это обычный рибонуклеотид, к которому присоединены два дополнительных фосфата. АТФ ― одновременно и источник энергии для множества энергоемких реакций, и один из кирпичиков для синтеза РНК.
Так земная преджизнь нашла универсальное решение сразу двух задач: запасания энергии в удобной форме и синтеза РНК ― главных молекул жизни. Между прочим, другие ключевые "энергетические" молекулы живой клетки ― НАД, НАДФ и ФАД ― представляют собой пары сцепленных рибонуклеотидов (одного стандартного и одного "неклассического"). Это еще одно наследие РНК-мира".
Вторым указанием на роль РНК в происхождении жизни является тот факт, что цепи ДНК, на которых синтезируются рРНК, являются очень консервативными в эволюции и почти одинаковы у всех видов. Это след их древнейшего происхождения (130, 242).
Рибонуклеиновые кислоты сформировали рибосомы и дали начало белкам и потом стали использовать паразитную ДНК в качестве носителя информации. Из РНК-мира уже возникли организмы, где есть ДНК, есть белки и РНК.
Есть несколько косвенных свидетельств того, что в древности жизнь была построена на основе РНК. Например, рибосомная РНК и транспортная РНК могут делать ту же работу, что и белки. Эти РНК отвечают за то, чтобы правильно считать информацию, которая записана в информационной молекуле РНК, которая была считана с гена, то есть с ДНК. Рибосомы, синтезирующие белок, сделаны из рибосомной РНК. Белки там тоже есть, но основу составляет рибосомная РНК. А ведь здесь мог бы работать белок и, наверное, более эффективно. Функцию транспортной РНК ведь тоже мог бы выполнять белок.
РНК может заменить ДНК ― это и раньше было известно, потому что были известны РНК вирусы. Как я уже писал выше, есть вирусы, у которых хранителем наследственной информации служит РНК.
В середине 80-х годов были обнаружены так называемые рибозимы, то есть, молекулы РНК, которые катализируют химические реакции. Другими словами, оказалось, что некоторые молекулы РНК могут фактически заменять белки, могут выполнять активную работу, в частности, могут выполнять каталитические функции, работать катализатором.
После же открытия ферментов, сделанных из РНК, стало ясно, что РНК могут заменить собой и ДНК, и белки. Следовательно, теоретически возможен организм, в котором нет ни белков, ни ДНК, а есть только РНК. Следовательно, на определенном этапе жизнь на Земле могла состоять состояла из РНК-организмов. Но для этого РНК организмы должны были иметь способность самовоспроизводиться.
11.4. КАКОЙ БЫЛА ПЕРВАЯ РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КЛЕТКА?
Если синтезировать случайным образом много белков и сделать из них искусственную клетку, то во-первых, большинство белков не будут обладать каталитическими свойствами. Во-вторых, при синтезе большая часть их мРНК будет гибридизирована другими мРНК и склеена и не сможет участвовать в синтезе белка на рибосомах.
Одним из подходов в решении вопроса о том, как родилась жизнь, является эксперименты по созданию полностью искусственных клеток. Причина в том, что любые попытки уменьшить геном бактерии, убирая не самые необходимые гены, для того, чтобы оставить только минимальные и достаточные компоненты генома, заканчиваются на этапе, когда в минимизированной бактериальной клетке остается сотни генов и тысячи различных белков и других молекул (226). Следовательно, набор генов и белков в современных даже бактериальных клетках есть продукт длительной эволюции, когда первоначальные механизмы были утрачены всерьез и навсегда. С другой стороны, данные эксперименты вносят свою лепту в поддержку идеи о РНК как начале всего живого. Поэтому начинать надо с самого начала и создавать искусственную клетку без участия белков.
В состав РНК входит четыре азотистых основания: аденин, урацил, гуанин и цитозин; соответственно, существует четыре вида рибонуклеотидов. Азотистые основания могли синтезироваться из неорганических молекул (таких, как CO, HCN и NH3) еще в протопланетном облаке. Их находят и в метеоритах. Третья ― сахар рибоза ― образуется в ходе автокаталитической реакции Бутлерова.
Исходя из современного уровня знаний можно полагать, что для того, чтобы сделать искусственную клетку, надо чтобы РНК была способна служить матрицей на которой происходит заключенной в цепи ее нуклеотидов информации и требуется вторая молекула, которая бы пришивала нуклеотиды к растущей копии на основе информации в РНК. Это может быть та же самая РНК, если ее концы обладают способностью катализировать реакцию пришивания нуклеотидов к растущему концу новой РНК. Сначала конец свертывается и делает дело, копируя начало, а потом начало свертывается и продолжает копирование, подхватывая эстафету у работавшего ранее конца РНК, свернутого чтобы получить фермент.
Жизнь возникает, если имеются 2 компонента реплицирующейся системы: 1. Запись информации на некоем носителе. 2. Трехмерная структура, в которой она располагается. Но молекулы РНК-копирователя не являются живыми по двум причинам. 1. Единственная молекула не может копироваться, так как она не может быть одновременно тем, что копируют и тем, который копирует. Поэтому реакция копирования требует наличия 1) копирователя и 2) молекулы, которую копируют, например, РНК в линейном виде (226).
Что же требуется для организма, состоящего из РНК и который можно было бы назвать живым? 1. Что такое автономная репликация копирование. Это непрерывный рост и деление, который основан на поступлении малых молекул и энергии и он не должен был быть зависимым от наличия продуктов предшествующей живых систем, таких как белки и ферменты.
2. Чтобы РНК жизнь работала, надо, чтобы катализаторы, включающие только пурин, должны уметь синтезировать пиримидины. РНК-катализаторы представляют собой проблему курицы и яйца. Первая молекула репликазы (то есть молекулы, которая снимала копию другой молекулы) не могла сделать сама себя. Первая молекула РНК катализатора, которая синтезировала пиримидины, не могла синтезировать молекулы, из которых она состояла. Поэтому многие предполагают существование пре-РНК мира, который дал начал РНК-миру, по-видимому, путем способствования синтезу РНК мономеров и олигомеров, что затем требовалось для перехода к РНК миру.
По мере перехода к РНК миру, молекулы РНК должны были научиться делать свои собственные нуклеотиды. Концентрация нуклеотидов в самом начале жизни была очень низкая.
3. Наконец, для того чтобы реакция копирования РНК шла успешно требуется отгородиться от внешней среды, либо иметь высокую концентрацию нуклеотидов. Это может быть реализовано путем создания маленьких сфер, сделанных из двойного слоя липидных молекул, где гидрофобные, не смачиваемые водой концы молекул ввернуты внутрь двойного слоя, а наружу торчат только те концы липидных молекул, которые смачиваются водой. Для того, чтобы такая гипотетическая система работала, надо, чтобы внутри такой окруженной двойным липидным слоем капельки имелись не только РНК, РНК-полимеризатор и нуклеотиды, но и сделанные из РНК катализаторы, способные синтезировать на основе имеющихся липидов новые липиды или просто способные синтезировать липиды вновь (без наличия матрицы, то есть de novo) (226).
Оказывается, в природе существуют и липиды, пригодные для таких целей. Они способны в условиях близких к таковым, какие существовали в очень давние времена, близким к природным, образовывать маленькие сферы. Эти сферы могли сливаться и разделяться. Тем самым нуклеотиды могли бы доставляться к липидным капелькам с РНК и нуклеотидами внутри мелких пузырьков и доставка других липидов шла бы за счет такого же слияния (226).