Ученые раскрыли главную тайну происхождения всего живого на Земле

Гипотеза РНК-мира говорит о том, что жизнь на планете возникла из биологической системы, которая не имела белковых молекул и ДНК. В состав ее входили комплексы РНК, которые были способны не только сохранять генетическую информацию, но и катализировать химические реакции (в таком случае они назывались рибозимами).

Проще говоря, в себе они сочетали функции ферментов и ДНК. Позже соединение РНК с ДНК и пептидами послужило основой для возникновения одноклеточных организмов. Ученые, в то же время, задаются вопросом: в чем заключалась выгода от взаимодействия между белками и РНК-миром?

Принято считать, что рибозимы, которые называют РНК-полимеразами, составляли основу населения РНК-мира. Это были репликаторы – то есть, объекты, которые имели способность к самовоспроизведению. Ресурсами для него были нуклеотиды в первичном бульоне. Изначально рибозимы копировали себя с большим трудом, в силу слабого развития их каталитических способностей.

Совершалось множество ошибок, в результате которых образовывалось немало рибозим с мутациями. Подобные изменения могли лишить способности к катализу РНК-полимеразу, хотя в некоторых случаях эта особенность улучшалась. Со временем рибозимы приобрели способность все точнее и быстрее воспроизводиться, становясь более многочисленными и выигрывая в конкурентной борьбе за ресурсы.

Таким образом, рибозимы были первичными геномами, потому как хранили в себе генетические данные относительно своей собственной последовательности. Позже рибозимы образовывали внутри частиц, которые были образованы липидными мембранами, очаги, которые впоследствии привели к образованию первой протоклетки. Ученые в настоящее время научились выводить аналоги РНК-полимеразного рабозима, катализирующих образование других рибозимов, и даже копировать небольшие последовательности рибонуклеотидов. В то же время, получить рибозим-репликатор ученые до настоящего времени не могут.

Существует и еще одна проблема: рибозимы, которые синтезированы лабораторных условиях, активны исключительно при наличии высоких концентраций ионов магния, разрушающих липидные мембраны. Иными словами, речь идет о фундаментальной несовместимости между РНК-полимеразами и процессами образования протоклеток.

В определенной мере спасает ситуацию то обстоятельство, что молекулы РНК не были изолированы от множества других химических соединений, в частности, пептидов. Рибозимы могли взаимодействовать с аминокислотными последовательностями, что оказывало определенное влияние на их функции.

Доказательством тому может служить, в частности, то, что активность рибозимов-сплайсосомов, которые вырезают из созревающей матричной РНК интроны, рибосом, которые принимают участие в синтезе белков, а также рибонуклеазы Р, которая катализирует деградацию РНК, зависит от родственных белков.

Согласно результатам исследований, часть белков, которые связываются с рибозимами, вызывают определенные изменения в их функциях и вторичной структуре. Так, в частности, в случае с рибонуклеазами Р белки имеют способность снижать концентрацию ионов магния, которая необходима для их активности. Принимая это во внимание, ученые решили установить, могли ли пептиды оказать влияние на функции РНК-полимеразных рибозимов, уменьшив их зависимость от магния.

Для ответа на данный вопрос нужно взять не любые белки, а только те из них, которые когда-либо взаимодействовали с рибозимами РНК-мира. Исследователи за основу взяли структуру рибосом, которые представляют собой молекулярный реликт. Полученные результаты доказывают, что в своем современном виде рибосомы имелись уже у общего предка всех современных форм жизни.

Вся эволюция рибосомы, которая образована рибонуклеиновыми кислотами, белками и ионами, записана в ее строении. В частности, основа большой рибосомной субъединицы обогащена ионами магния. Постепенно, с образованием дополнительных модулей, ионы заменялись пептидами.

По словам ученых, связь между аминокислотными цепочками и рибозимами является отражением истории эволюции РНК-мира и его перехода к РНК-пептидному миру. По этой причине исследователи и провели анализ действия пептидов из рибосом, считающихся наиболее древними белковыми последовательностями на планете.

Исследователям удалось определить немало пептидов из двух субъединиц рибосомы одной из множества бактерий, которые усиливали активность РНК-полимеразного рибозима Z, копирующего РНК-молекулы.

Наиболее значительное действие имела аминокислотная цепочка из десяти молекул лизинов — лизиновый гомополимерный декапептид К10. Он образовывал пептидно-рибозимный комплекс, поддерживая при низких концентрациях ионов магния функции рибозима. На основании этого исследователи предположили, что подобное обусловлено стабилизацией в каталитическом цикле промежуточных веществ.

С целью проверить, мог ли данный пептид способствовать активности внутри мембранного участка, ученые провели исследование. Они получили стабильные пузырьки, которые состояли из диацилглицериновв и фосфолипидов, внутрь которых внедряли РНК.

При наличии аминокислотной последовательности К10 и при безопасной для мембраны концентрации ионов магния 10 миллимоль происходил синтез РНК, который катализировался рибозимом. При отсутствии ионов магния синтез не происходил.

По словам ученых, это может свидетельствовать о том, что пептиды позволяют рибозимам при низких концентрациях токсичных ионов осуществлять каталитическую активность. Зависимость РНК-полимераз от неорганических молекул в конечном итоге уменьшилась, что оказало влияние на их развитие и, как результат, на развитие клеток.