Команда науковців із Мюнхенського університету Людвіга-Максиміліана показала, що невеликі зміни у молекулах транспортної РНК (тРНК) дозволяють їм формувати функціональні одиниці, які здатні експоненційно реплікувати генетичну інформацію. Цей аналіз дозволяє вважати, що тРНК могли зіграти ключову роль у появі перших форм життя.
Життя, як ми його знаємо, ґрунтується на складних взаємодіях тисяч різноманітних молекул усередині клітин. Однаковий фундаментальний процес повторюється у наших організмах щодня незліченну кількість разів. В операції, що називається реплікацією, білки дублюють генетичну інформацію, яка закодована у молекулі ДНК в ядрі клітини, перш ніж передати її порівно двом дочірнім клітинам під час клітинного поділу. Ця інформація згодом копіюється («транскрибується») молекулами матричної РНК (мРНК), що спрямовують синтез різних типів білків, яких потребує певна клітина. Другий тип РНК – транспортна РНК – відіграє центральну роль у процесі «трансляції» інформації з мРНК у білки. Транспортна РНК виконує роль посередника між мРНК та білками: вона гарантує, що амінокислоти, з яких утворені білки, складаються саме в ті послідовності, які визначає мРНК.
Як могла з’явитися така складна взаємодія між реплікацією ДНК та трансляцією мРНК у білки, коли на Землі з’явилися перші живі організми? Це запитання – класичний приклад дилеми «курки і яйця»: для транскрипції генетичної інформації потрібні білки, але синтез білків, зі свого боку, теж залежить від транскрипції.
Команда науковців із Мюнхенського університету Людвіга-Максиміліана під керівництвом професора Дітера Брауна показала, як на цю загадку можна відповісти. Вони продемонстрували, що коли у структуру сучасних тРНК внести невеликі корективи, вони можуть автономно формувати різновид певного «реплікаційного модуля», який здатний експоненційно реплікувати генетичну інформацію. Звідси випливає, що тРНК – головні посередники між транскрипцією і трансляцією в сучасних клітинах – могли бути також основною ланкою між реплікацією і трансляцією у перших формах життя на Землі. Тож їхнє дослідження надає відносно просту відповідь на запитання, що було спочатку – генетична інформація чи білки?
Дивовижно те, що з погляду своєї послідовності та структури тРНК напрочуд добре збереглася у всіх трьох доменах життя, тобто одноклітинних археях та бактеріях (в яких немає клітинного ядра) й еукаріотах (організмах, чиї клітини мають справжнє ядро). Це вказує на те, що тРНК може бути однією з найдавніших молекул біосфери.
Як і пізніші кроки в еволюції життя, реплікація та трансляція, а також комплексні відносини між ними не були результатом однієї випадкової події. Натомість їх краще зрозуміти як кульмінацію тривалого еволюційного процесу. «Фундаментальні явища, як-от самореплікація, автокаталіз, самоорганізація та компартменталізація, найімовірніше, зіграли важливі ролі у цьому процесі. – стверджує Дітер Браун. – Якщо говорити загально, то такі фізичні та хімічні процеси повністю залежать від середовищ із нерівноважними умовами».
У своїх експериментах Браун та його колеги використали набір взаємно комплементарних ланцюгів ДНК, які змоделювали на основі характерної форми сучасних тРНК. Кожен із них складався з двох «шпильок для волосся» (їх назвали так через характерну форму, адже ланцюги нагадували витягнуту петлеву структуру й могли частково утворювати пари самі з собою), розділених посередині інформаційною послідовністю. Вісім таких ланцюгів могли взаємодіяти через комплементарне поєднання основ й утворювати комплекси. Залежно від типу поєднання, обумовленого центральними інформаційними ділянками, комплекс міг закодовувати бінарний код із чотирьох цифр.
Кожен експеримент розпочинався із взірця – інформаційної структури, утвореної із двох типів центральних інформаційних послідовностей, які визначають бінарну послідовність. Ця послідовність обумовлювала форму комплементарної молекули, з якою шаблон міг взаємодіяти у басейні доступних ланцюгів. Дослідники продемонстрували, що шаблонна бінарна структура могла неодноразово копіюватись під впливом повторюваних холодних і теплих температурних циклів. «Можна припустити, що такий механізм реплікації міг відбуватися у гідротермальних мікросистемах ранньої Землі», – стверджує Браун. Зокрема, водні розчини, які потрапляють у пастку в пористих породах на морському дні, могли бути сприятливим середовищем для таких циклів реакції, адже відомо, що у такому середовищі виникають природні температурні коливання, зумовлені конвекційними потоками.
Під час копіювання комплементарні ланцюги, отримані із басейну молекул, сполучаються з інформаційною ділянкою взірцевих ланцюгів. З часом суміжні «шпильки для волосся» цих ланцюгів також сполучаються між собою, утворюючи стабільні основи, а температурні осциляції зумовлюють все нові й нові ампліфікації. Якщо на короткий період температура зростає, взірцеві ланцюги відокремлюються від щойно сформованого реплікату й обидві молекули стають взірцями для наступного раунду реплікації.
Науковці продемонстрували, що така система має властивість експоненційної реплікації. Це важлива знахідка, адже вона показує, що такий механізм реплікації стійкий до колапсу внаслідок накопичення в системі помилок. А те, що сама структура комплексу реплікації нагадує сучасну молекулу тРНК, свідчить про те, що ранні форми тРНК могли брати участь у процесах молекулярної реплікації ще перед тим, як вони взяли на себе свою теперішню роль трансляції послідовностей мРНК у білки. «Такий зв’язок між реплікацією та трансляцією у ранньому еволюційному сценарії може бути розв’язком проблеми “курки чи яйця”», – каже Александра Кунляйн, дослідниця з команди Брауна. Він пояснює характерну форму прото-тРНК й проливає світло на еволюційну роль тРНК ще перед тим, як вона була кооптована у процес трансляції.
«Дослідження ранніх форм молекулярних реплікацій й відкриття зв’язку між реплікацією та трансляцією ще на крок наближає до реконструкції походження життя», – резюмує Дітер Браун.
Origin of life: The chicken-and-egg problem
ScienceDaily, 2/03/2021
Зреферував Є. Л.
Оригінал дослідження:
Alexandra Kühnlein, Simon A Lanzmich, Dieter Braun
tRNA sequences can assemble into a replicator
eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.63431
03.03.2021