Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни
Кандидат биологических наук С. ГРИГОРОВИЧ.
Когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.
Дело в том, что первые рибозимы, открытые Чеком и Альтманом, могли производить лишь одну операцию: вырезание и сшивку определенных участков в… самих себе. Эта процедура критически необходима для процесса так называемого "созревания РНК", в детали которого мы здесь не станем углубляться. Через несколько лет ученые продемонстрировали способность рибозимов к соединению аминокислот в белках, о которой мы уже упомянули выше. Однако сколько ни бились последователи теории РНК-мира, выделить из клеток или вирусов рибозим, который мог бы копировать РНК, не удалось. И хотя копирование РНК на РНК-матрице существует у некоторых вирусов, за эту реакцию отвечают только белки. Как же доказать, что РНК когда-то тоже была способна к копированию самой себя?На помощь ученым пришла идея искусственного отбора. Подобно селекционерам животных и растений, они научились "обучать" молекулы РНК не характерным для природных рибозимов способностям и из тысяч и миллионов различных молекул РНК отбирать те, которые лучше справляются с поставленной задачей.
Идея метода, о котором пойдет речь, зародилась в конце 60-х годов XX века, когда в связи с открытиями бурно развивающейся молодой науки - молекулярной биологии ученые задались целью проверить справедливость эволюционных законов Дарвина для бесклеточных систем. Пионером в этом направлении стал американский ученый Сол Шпигельман, который путем искусственного отбора (в пробирке) получил организм, совершенно не похожий на своего "родителя".
Исходным организмом в данном случае служил вирус, состоявший из цепочки РНК и нескольких белков. В пробирке, где вирусу были предоставлены все необходимые компоненты для синтеза РНК, он через некоторое время изменился до неузнаваемости. То, что получилось в итоге, стали называть "шпигельманским монстром" - так разительно непохож он был на своего предка. И неудивительно: ведь у "монстра" в столь благоприятных условиях больше не было необходимости заражать клетки: все, что нужно для жизни, было у него "под рукой". Необходимость в белках, служащих для внедрения в клетку и размножения внутри нее, отпала. В результате мутаций в пробирке вирусная РНК, состоявшая изначально из 4500 нуклеотидов, укоротилась до 220, потеряв при этом все участки, кодировавшие белки вируса. Этот отрезок РНК и был тем "монстром", который накапливался в пробирке в результате высокой скорости своего копирования: ведь чем короче РНК, тем быстрее ее можно скопировать и тем больше копий получится в единицу времени.
Важным следствием эксперимента Шпигельмана было то, что вне организма, создав (или убрав) условия для изменчивости и отбора молекул РНК, можно проводить процесс, очень похожий на эволюционный. И хотя в опыте с "монстром" Шпигельман продемонстрировал скорее "деградацию" организма, последователи, развившие этот подход, назвали его методом "эволюции в пробирке" или иначе - "селекс-методом".
Вкратце метод в его современной постановке заключается в получении цепочки РНК, ее мутировании (изменении длины цепочки или состава нуклеотидов), отборе вариантов, которые лучше других справляются с поставленной задачей, их копировании (размножении) в пробирке и снова искусственном мутировании, после чего цикл повторяется.
В итоге нескольких таких последовательных циклов удалось получить рибозимы с множеством не свойственных им изначально функций. Самым важным открытием в этой области стали исследования американских ученых под руководством Дэвида Бартеля, который в начале текущего века получил рибозим, способный специфически катализировать копирование РНК на РНК-матрице. Сущность этого процесса состоит в следующем. К имеющейся одноцепочечной РНК сначала должен прикрепиться небольшой участок комплементарной РНК. Рибозим (репликаза) присоединя ется к одному из концов такого участка и, выждав, пока к свободному основанию на копируемой цепи подойдет комплементарный ему нуклеотид из раствора, присоединяет его к концу растущей цепи, а затем продвигается на шаг вперед. Так, шаг за шагом, на старой цепи РНК растет новая, "дочерняя" цепь. Точность и скорость копирования, осуществляемого рибозимом Бартеля, оставляли желать лучшего. Удалось копировать лишь цепочки длиной не более 14 нуклеотидов. Поэтому был предложен другой вариант работы древнейшего РНК-фермента, согласно которому он должен был уметь лишь "сшивать" концы цепочек РНК. Такая лигазная (соединяющая) активность наблюдалась уже у первых рибозимов, выделенных Чеком и Альтманом. При этом не требуется система распознава ния "правильных" нуклеотидов при их пошаговом присоединении. Все, что необходимо, - уметь образовывать связи между двумя соседними свободными концами олигонуклеотидов, оказавшихся рядом случайно или "севших" на матричную (родительскую) цепь. Этот путь развития событий кажется более простым, а значит, и более вероятным.
Еще один рибозим, созданный Бартелем, обладал способностью присоединять молекулу сахара к азотистому основанию, что необходимо для образования нуклеотида. Так была практически продемонстрирована возможность образования рибозимов, способных катализировать два важнейших этапа образовании мира РНК: синтез нуклеотидов и их цепочек. Однако, оценивая факты более пристрастно, мы снова сталкиваемся с несколькими преградами на пути такого развития событий.
Во-первых, рибозимы осуществляют реакцию присоединения нуклеотидов очень неуверенно, так что при существовавших на первых этапах предполагаемого мира РНК низких концентрациях свободных нуклеотидов и олигонуклеотидов данная реакция просто бы не могла выполняться. Затем, в первобытном океане, несомненно, в больших концентрациях присутствовали вещества, затрудняющие (ингибирующие) или даже вовсе останавливающие реакцию рибозимного синтеза РНК, такие, как, например, соли тяжелых металлов или метаболиты, схожие с нуклеотидами и способные связываться с рибозимом, но неспособные встраиваться в растущую цепь РНК. И, наконец, наиболее критическое и до сих пор не преодоленное препятствие связано с наличием зеркально-симметричных вариантов биомолекул.
С зеркальной симметрией предметов мы сталкиваемся постоянно. Стоит сравнить между собой левые и правые ладони, ступни или уши. С одной стороны, они, безусловно, похожи. С другой - если вы попробуете мысленно совместить их в пространстве (или, что нагляднее, надеть левый ботинок на правую ногу), вы поймете суть явления, называемого в химии хиральностью. Оно заключается в невозможности совместить в пространстве молекулы, состоящие из одинаковых составляющих, которые расположены в разной пространственной ориентации по отношению к центральной молекуле. Практически это означает следующее: если к какому-либо из атомов данной молекулы прикреплены по крайней мере четыре различные химические группы, то возможно существование двух хиральных (зеркально-симметричных, как ладони руки) форм этой молекулы.
Впервые явление хиральности было открыто в середине XIX века великим Луи Пастером (1822-1895). Будучи молодым двадцатипятилетним ученым, он исследовал причину отложения солей винной кислоты (называемых "тартар") на стенках винных бочек. Решая такую сугубо утилитарную задачу, Пастер неожиданно обнаружил, что при нагревании тартар теряет присущее ему свойство вращать плоскость поляризации света. Еще более он был удивлен, когда оказалось, что химический состав и физические свойства измененного тартара оставались прежними. Исследовав кристаллы соли, Пастер заметил, что некоторые из них представляют собой зеркальное отражение других. Отделив кристаллы этих двух типов друг от друга, он обнаружил, что одни из них вращают плоскость поляризации света вправо, а другие - влево. Так было впервые показано, что одно и то же вещество может существовать в двух формах с различными оптическими свойствами.
Нуклеотидам также присуще это свойство: они могут существовать в форме, вращающей свет как влево (L-форма), так и вправо (D-форма). Однако особенность всех, без исключения, современных живых организмов состоит в том, что для построения своих нуклеиновых кислот они используют исключительно D-нуклеотиды. Присутствие даже малого количества L-форм нуклеотидов ингибирует (угнетает) или вовсе блокирует работу ферментов синтеза РНК, и особенно это справедливо для рибозимов, полученных Бартелем.
Почему природа выбрала именно D-, а не L-форму? Существовала ли данная избирательность с самого начала возникновения жизни? Если она образовалась в ходе эволюции, то что служило причиной? Как стало возможно обойти негативное влияние L-форм на первых этапах каталитического синтеза РНК? Почему на Земле не смог развиться "параллельный" L-нуклеотидный мир? На все эти вопросы пока не существует внятных ответов. (Об одной из гипотез, объясняющих преобладание биомолекул определенной симметрии, см. "Наука и жизнь" № 6, 2000 г. - Ред.)
Читайте в любое время
