Biologi, ķīmiķi un pat matemātiķi daudzu gadu desmitu garumā strādā pie dzīvības izcelsmes problēmas. Un, lai arī jau pirms pirmās šūnas parādīšanās ir zinātniski pamatotas un pamatotas ķīmiskās evolūcijas hipotēzes, darbs šajā virzienā turpinās. "Lenta.ru" stāsta par jaunu pētījumu par RNS pasaules problēmu, kura rezultāti tika publicēti žurnālā Proceedings of the National Academy of Sciences.
Portlendas Valsts universitātes zinātnieki, veicot eksperimentus ar ribozimiem, atklāja, ka šo molekulu spēja katalizēt savu montāžu ir atkarīga no to mijiedarbības ar citām līdzīgām molekulām. Pētījums netieši atbalsta RNS pasaules hipotēzi, kurā teikts, ka pirmā organiskā molekula, kas kļuva par pirmo šūnu pamatu, bija RNS. Šīs RNS molekulas spēja patstāvīgi sintezēties, konkurēt savā starpā un piedalīties prebiotisko evolūcijā, kad veiksmīgākie savienojumi kļuva par pamatu sarežģītākiem ķīmiskiem kompleksiem.
Daudzi cilvēki zina, ka dzīvām šūnām ir savi īpašie katalizatori: fermenti, kas ir sarežģīti salocītas olbaltumvielu molekulas, kas veic dzīvībai svarīgas reakcijas. Tomēr fermenti var būt ne tikai olbaltumvielas, bet arī RNS ķēdes. Atgādiniet, ka RNS ir nukleīnskābe, kas ir ļoti līdzīga DNS, taču atšķiras no tās ar to, ka satur ribozes cukuru (nevis dezoksiribozi), un vienu no slāpekļa bāzēm - timīnu - aizstāj ar uracilu. Pēc zinātnieku domām, RNS parādījās pirms DNS, jo tā ir daudz labāka (tās struktūra ir vairāk pakļauta izmaiņām) un tā var veikt katalītiskas reakcijas bez olbaltumvielu palīdzības. RNS molekulas, kas ir enzīmi, sauc par ribozīmiem. Parasti ribozīmi katalizē pašu vai citu RNS molekulu šķelšanos.
Viens no visizpētītākajiem ribozīmiem ir Azo, ferments, ko zinātnieki no pašgriešanas I grupas introniem atraduši baktērijas Azoarcus DNS. Introni ir gēnu reģioni, kas nesatur informāciju par olbaltumvielu vai nukleīnskābju secību un tiek izgriezti Messenger RNS (mRNS) nobriešanas laikā. Visi I grupas introni katalizē savu izgriešanu no RNS sekvences. Intron ribozīms Azo, kas interesē zinātniekus, atrodas gēnā, kas kodē transporta RNS (tRNS), kas nes aminoskābi izoleicīnu. Šūnas iekšpusē Azo, tāpat kā citi ribozīmi, pats veic izgriešanu no tRNS, bet laboratorijas apstākļos viņš spēja iemācīties veikt apgrieztu savienošanu: ribozīms noteiktā vietā sagriež substrātu - īsu RNS molekulu ar specifisku nukleotīdu secību,kuru gabali paliek piestiprināti Azo.
Baktērijas Azoarcus ribozīma struktūra. IGS fragments ir atzīmēts sarkanā krāsā
Attēls: Jessica AM Yeates et al. Portlendas Valsts universitātes Ķīmijas katedra
Azo ir aptuveni 200 nukleotīdu garš un var sadalīties divos, trīs vai četros fragmentos, kas MgCl2 šķīduma klātbūtnē spontāni saplūst 42 grādos pēc Celsija. Pašsavienošanās process sākas ar mijiedarbību starp diviem nukleotīdu tripletiem (tripletiem), kas pieder dažādiem RNS fragmentiem. Kad starp tripletiem pēc komplementaritātes principa izveidojas ūdeņraža saites, ribozīma daļas maina savu telpisko struktūru un atkal apvienojas viena ar otru. Zinātnieki koncentrējās uz divu fragmentu, kas sākotnēji tika nosaukti par WXY un Z, pašsavienošanās reakciju, kur W, X, Y un Z apzīmē ribozīma atsevišķus reģionus, kuru garums ir aptuveni 50 nukleotīdu (1. att.). Vietnē W, RNS molekulas priekšējā galā, atrodas viens no trijotnēm,kas ir iesaistīts pašmontāžas uzsākšanā un tiek saukts par “iekšējo virzīšanas secību” (IGS). WXY beigās ir birkas triplets, kas, mijiedarbojoties ar IGS, veido spēcīgu kovalento saiti ar Z fragmentu.
Reklāmas video:
Pētnieki izveidoja dažādus WXY fragmentu variantus (genotipus), mainot nukleotīdus, kas atrodas IGS vidū, un tagu tripletus (attiecīgi M un N nukleotīdus). Tā kā RNS molekulas parasti veido tikai četru veidu nukleotīdi, šādu variantu ir 16. Piemēram, viens no genotipiem var būt 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', bet otrs 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Visi šie molekulu varianti var konkurēt savā starpā, veidojot dažādus metabolisma tīklus, kuros vesela ribozīma atjaunošanai ir nepieciešams kopīgs resurss - Z molekula.
Reakcija starp dažādiem azo ribozīma fragmentiem, veidojot veselu molekulu
Attēls: Jessica AM Yeates et al. Portlendas Valsts universitātes Ķīmijas katedra.
Savos eksperimentos zinātnieki vispirms pārbaudīja katra genotipa spēju patstāvīgi salikt atsevišķi. Kad M un N veido Vatsona-Krika pārus (tas ir, saskaņā ar komplementaritātes principu A - U, C - G), ribozīma pašsavienošanās ātrums kļūst lielāks nekā citiem pāru veidiem. Pēc tam pētnieki imitēja siltu "mazu dīķu" vidi, kurā dažādas prebiotiskās molekulas mijiedarbojas savā starpā, lai gūtu labumu no cita un paātrinātu pašorganizāciju. Bioķīmiķi izsekoja savstarpēji pārī savienotu genotipu uzvedību, kopumā zinātnieki pētīja 120 pārus, kas sastāv no diviem atšķirīgiem WXY variantiem. Viņi izmērīja katras reakcijas ātrumu, kas notika starp divu WXY genotipu molekulām un Z fragmentiem atsevišķās mēģenēs 30 minūtes.
Dažādu ribozimija fragmentu mijiedarbība, izmantojot ūdeņraža saites
Attēls: Jessica AM Yeates et al. Portlendas Valsts universitātes Ķīmijas katedra
Apvienojot abu eksperimenta posmu rezultātus un iegūstot pašsavienošanās ātrumu, kad mijiedarbojas divi dažādi genotipi, pētnieki izveidoja evolūcijas eksperimentu. Genotipu pāri tika sajaukti vienādās proporcijās, nodrošināti ar Z fragmentiem un piecas minūtes savstarpēji reaģēja. Šajā laikā zinātnieki 10 procentus šķīduma parauga jaunā mēģenē, kurā bija vairāk nereaģējušu katra genotipa WXY un Z fragmentu. Astoņu šādu pārsūtījumu laikā zinātnieki izsekoja katra WXYZ genotipa attiecību. Tas ļāva novērtēt ribozīmu evolūcijas panākumu ķīmisko ekvivalentu paaudzēs paaudzē, kas tika novērots kā "sprādziens" - tas ir, spēcīgs RNS pašsavienošanās ātruma pieaugums. Evolūcijas eksperimentā biologi pētīja septiņu ribozīmu pāru mijiedarbību.
Balstoties uz visiem laboratorijas eksperimentiem, zinātnieki ir atvasinājuši diferenciālvienādojumu matemātisko modeli, kurā ņemts vērā genotipu pašsavienošanās ātrums ar vai bez citu genotipu klātbūtnes. Šis modelis kļuva par pamatu jaunai evolūcijas spēles teorijai, kas nosaka vairākas RNS molekulu uzvedības. Vienā gadījumā, ko sauc par "Dominance", viens no genotipiem vienmēr ir izplatītāks nekā otrs, savukārt tā pašsavienošanās ātrums vienmēr pārsniedz konkurenta ātrumu. Otrajā gadījumā - "sadarbība" - abi genotipi, kas mijiedarbojas viens ar otru, gūst labumu no "sadarbības", un viņu pašsapulces ātrums pārsniedz ātrumu, kāds viņiem būtu atsevišķi viens no otra. “Savtīgais scenārijs” - tieši pretējs “sadarbībai” - nozīmē, ka katrs ribozīms individuāli saņem vairāk nekā tad, kad mijiedarbojas ar kādu citu. Un visbeidzotfilmā "Pretdominante" genotips ar zemu pašsajūtas ātrumu pēkšņi sāk parādīties biežāk nekā tā konkurents.
Šī pētījuma mērķis nav tieši pierādīt RNS pasaules hipotēzi, bet tas ir vēl viens gabals zinātniskās izpratnes mīklā par prebiotiku evolūciju. Pirmo reizi tika parādīts, ka atsevišķu molekulu fermentatīvās īpašības var uzlabot citu molekulu klātbūtnē, kuras atšķiras tikai ar vienu vai diviem nukleotīdiem. Gigantiskajā risinājumā, kas dzīves rītausmā bija zemes okeāni, šīs molekulas savā starpā sacentās par substrātiem, sadarbojās un pastiprināja savu darbību. Pamatojoties uz to, jau var pieņemt, kāpēc sarežģītie organiskie savienojumi centās apvienoties sistēmās, kas ir pirmo šūnu prototipi.
Aleksandrs Enikejevs