Как длинные РНК победили короткие
Физико-химические условия на древней Земле благоприятствовали отбору более длинных молекул РНК, в которых могло быть записано больше информации.
Считается, что жизнь на Земле начиналась с молекул, которые могли создавать копии самих себя, одновременно запоминая попадающие в них изменения-мутации. По наиболее распространённой гипотезе, такими молекулами были РНК, поскольку именно РНК могут без посторонней помощи выполнять некоторые химические реакции – например, осуществлять собственную сборку из нуклеотидов. Так что в изначальные времена на Земле «обитали» весьма самостоятельные молекулы, способные размножаться без посторонней помощи. ДНК, будучи более стабильной, чем РНК, но не обладающая каталитическими способностями, появилась позже как ёмкость для хранения информации.
Какие молекулы при этом получали бы преимущество? Напрашивающийся ответ – более короткие, потому что их быстрее скопировать, то есть у них была бы выше скорость размножения и они попросту отбирали бы все ресурсы у более длинных молекул. Но, поскольку принципы кодирования информации у тех и у других одинаковые, то короткие РНК будут менее информативными, то есть более простыми, более примитивными. Однако преимущество всё же осталось за длинными РНК, именно они могут держать в себе достаточно информации для производства белка, без чего дальнейшее развитие жизни не произошло бы. Как объяснить такой парадокс (естественно, не используя в качестве аргументов «стремление к совершенству» и прочую подобную мистику)?
Возможное решение предложили исследователи из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (Германия). Согласно одной из моделей развития жизни, первые молекулы-репликаторы могли размножаться в сквозных порах, покрывавших породы на дне древнейшего океана. Если такая пора находилась рядом с геотермальным источником, то в ней образовывалась разность температур: у её отверстия циркулировали потоки очень горячей воды, нагревавшие верхнюю половину поры. Раствор, находившийся здесь, нагревался тоже, увеличивался в объёме и выходил наружу, а вместо него с противоположного отверстия в пору заходили новые порции веществ, необходимых для биохимического синтеза. Как вели себя в таких условиях РНК разной длины, нахоящиеся в поре? Дитер Браун (Dieter Braun) и его коллеги в статье в Nature Chemistry высказывают предположение, что длинные РНК могли уходить в холодную зону вследствие термофореза. Так называют отталкивание частиц нагретыми телами: если у нас есть неравномерно нагретая частица, то от её более тёплой поверхности молекулы среды (например, газа) будут отталкиваться сильнее, чем от более холодной, то есть сама частица получает сильный импульс в более холодную сторону. Из-за этого, например, покрываются пылью поверхности, обращённые к нагревательному прибору.
В жидкости на термофорез влияет заряд частицы: известно, что больший заряд тянет в холодную сторону. Значит, длинные РНК, обладающие большим зарядом, будут оставаться в поре, тяготея к холодной её стороне, тогда как короткие с большей вероятностью будут подниматься к горячему отверстию и вымываться из «микрореактора». Так условия среды будут благоприятствовать более длинным, более сложным молекулам.
Для проверки гипотезы исследователи использовали стеклянный капилляр, заполненный фрагментами ДНК и всеми необходимыми реагентами для их репликации. ДНК взяли потому, что для РНК, по словам авторов работы, нет удовлетворительного лабораторного метода размножения в отсутствие ДНК-матрицы, тогда как для ДНК нужно было только воссоздать условия обычной полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая сейчас широко используется даже в клинических анализах. Кроме того, поведение обеих нуклеиновых кислот при термофорезе не слишком отличается. Когда, имитируя доисторическую пору, в трубке создали градиент температуры, оказалось, что более длинные молекулы действительно склонны оставаться внутри, где похолоднее. Как результат, количество длинных молекул росло, тогда как короткие, скапливающиеся у нагретого конца, вылетали наружу и постепенно «вымирали».
Конечно, возникает вопрос, достаточно ли было таких горяче-холодных пор на заре жизни, чтобы позволить длинным информационным молекулам занять Землю. Одно дело – современная лаборатория, другое – доисторический океан. Однако некоторые биохимики (например, Ирен Чен (Irene Chen) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре) полагают, что тут необязательно полагаться только на гидротермальные источники, такой градиент температур мог возникать из-за неравномерного нагрева на солнце. Так что «экологические ниши», благоприятные для сложных молекул, могли попадаться на Земле намного чаще, чем может показаться на первый взгляд.
30 января 2015
Статьи по теме:
