Якими були перші білки, що з’явилися приблизно 3,7 млрд років тому? Професору Дену Тавфіку з Науково-дослідного інституту ім. Вейцмана у Реховоті та професору Норману Метанісу з Єврейського університету в Єрусалимі вдалося відтворити амінопослідовності, які можуть нагадувати предків сучасних білків. Вони також вказали на те, як з цих первісних білків могли виникнути живі клітини. Результати їхнього дослідження опубліковані у журналі PNAS.
Білки можна порівняти з гайками, пружинами та шестірнями – рухомими компонентами клітини. Але перші білки з’явилися ще перед клітинами. Сучасні білки утворені із двадцяти амінокислот, які організовані у полімери – довгі молекулярні ланцюги. Запитання про те, що було спочатку – амінокислоти чи білки, – тривалий час нагадувало запитання про курку і яйце, адже амінокислоти теж є продуктами спеціальних білків – ензимів. І сьогодні на це запитання є хіба фрагментарні відповіді.
Науковці припускають, що перші білки утворилися із коротших білкових послідовностей – пептидів. Пептиди могли спонтанно сформуватись із амінокислот у первісному хімічному супі, а декілька пептидних послідовностей – утворити вже повноцінний білок. Спонтанне самозародження амінокислот у середовищі, яке нагадувало умови на Землі 4,0 млрд років тому, продемонстрували у відомому експерименті Міллера-Юрі 1952 р. Цей експеримент показав, що амінокислоти за певних умов можуть утворюватися навіть без ензимів. Отже, «яйце» (амінокислоти) таки було раніше, ніж «курка» (білки).
Тавфік стверджує, що суттєвим недоліком цього та наступних схожих експериментів була відсутність серед його результатів ключового різновиду амінокислот. Це амінокислоти, які несуть позитивний електричний заряд, зокрема аргінін та лізин. Ці амінокислоти мають ключове значення для утворення білків, адже вони взаємодіють з ДНК та РНК, які обоє мають негативний сумарний електричний заряд. За сучасними уявленнями, РНК була первісною молекулою, яка могла утворювати копії самої себе, тож її взаємодія із позитивно зарядженими амінокислотами теоретично мала бути необхідною для утворення живих клітин.
Одна позитивно заряджена амінокислота в експерименті Міллера-Юрі, утім, таки з’явилася, а саме амінокислота, яка називається орнітином. Сьогодні її вважають перехідною ланкою в утворенні аргініну, проте сама вона безпосередньо не бере участі у формуванні білків. Тож Тавфік та Метаніс висунули гіпотезу, що, можливо, саме орнітин був відсутньою ланкою у первісних білках. Щоби протестувати цю гіпотезу, дослідники провели оригінальний експеримент.
Вони розпочали з відносно простого білка із сім’ї, що приєднується до ДНК і РНК, а згодом застосували філогенетичні методи, щоб виснувати послідовність первісного білка. Такий білок мав бути багатим на позитивні заряди – 14 із 64 амінокислот мали бути аргініном або лізином. Згодом вони створили синтетичні білки, в яких їх замінили орнітином як носієм електричного заряду.
Виявилося, що білки на основі орнітину теж були здатні приєднуватися до ДНК, хоча досить слабо. Вчені, однак, довели, що під впливом кількох простих хімічних реакцій орнітин може перетворитися в аргінін. Причому такі реакції могли відбуватися за умов, які існували на ранній Землі. Що більше орнітину перетворювалося в аргінін, то більше цей білок нагадував сучасні аналоги, а також був здатен приєднуватися до ДНК міцніше і вибірковіше.
Вчені також виявили цю реакцію за присутності РНК. Усе це, за словами Тавфіка, свідчить про те, що такі білки разом із РНК могли утворювати протоклітини.
Origin of life: Which came first?
ScienceDaily, 22.06.2020
Liam M. Longo, Dragana Despotović, Orit Weil-Ktorza, Matthew J. Walker, Jagoda Jabłońska, Yael Fridmann-Sirkis, Gabriele Varani, Norman Metanis, Dan S. Tawfik
Primordial emergence of a nucleic acid-binding protein via phase separation and statistical ornithine-to-arginine conversion
PNAS June 19, 2020
Зреферував Є. Л.