Kembridžas universitātes zinātnieki ir saņēmuši jaunus pierādījumus par labu RNS pasaules hipotēzei. Izrādījās, ka mazās aminoskābju ķēdes, apvienojumā ar RNS, uzlabo to katalītiskās īpašības, ļaujot tām kļūt mazāk atkarīgām no toksiskajiem joniem. Un tas ir nepieciešams nosacījums pirmo šūnu veidošanai. "Lenta.ru" stāsta par darbu, kas publicēts žurnālā Nature.
Saskaņā ar RNS pasaules hipotēzi dzīve radās no vienkāršas bioloģiskas sistēmas, kurā nebija DNS un olbaltumvielu molekulu. Tas sastāvēja no RNS kompleksiem, kas spēj ne tikai uzglabāt ģenētisko informāciju, bet arī katalizēt ķīmiskās reakcijas (šajā gadījumā tos sauca par ribozīmiem). Citiem vārdiem sakot, viņi apvienoja DNS un fermentu funkcijas. Tad RNS kombinācija ar peptīdiem un dezoksiribonukleīnskābi izraisīja vienšūnu organismu rašanos. Tomēr rodas jautājums: kāds bija ieguvums no mijiedarbības starp RNS pasauli un olbaltumvielām?
Tiek uzskatīts, ka ribozīmi, ko sauc par RNS polimerāzēm, ir veidojuši lielāko daļu RNS pasaules. Tie bija replikatori - objekti, kas spēj paši replicēties. Resursi tam bija primārā buljona nukleotīdi. Sākumā ribozīmiem bija grūti sevi pārkopēt, jo to katalītiskās spējas nebija attīstītas. Viņi pieļāva kļūdas, kā rezultātā radās ribozīmi ar mutācijām. Šīs izmaiņas varētu liegt RNS polimerāzei spēju katalizēt, tomēr dažos gadījumos šī kvalitāte, gluži pretēji, uzlabojās. Laika gaitā ribozīmi reproducēja ātrāk un precīzāk, kļuva arvien vairāk un uzvarēja konkursā par resursiem.
Tādējādi ribozīmi bija primārie genomi, jo tie glabāja ģenētisko informāciju par savu secību. Vēlāk tie tika iekapsulēti daļiņās, kuras veidoja lipīdu membrānas, kā rezultātā izveidojās pirmais vienšūnis. Zinātnieki spēj sintezēt RNS polimerāzes ribozīma analogus, kas katalizē citu ribozīmu sintēzi vai pat kopē īsas ribonukleotīdu sekvences. Tomēr ribozīmu replikatoru joprojām nav iespējams iegūt.
Ribosomu Thermus thermophilus
Attēls: Public Domain / Wikimedia
Pastāv arī cita problēma. Laboratorijās sintezētie ribozīmi ir aktīvi tikai ļoti augstā magnija jonu koncentrācijā, kas iznīcina lipīdu membrānas. Tas nozīmē, ka pastāv būtiska nesavienojamība starp ribonukleāro RNS polimerāzēm un protošūnu veidošanās procesiem.
Reklāmas video:
Situāciju glābj tas, ka RNS molekulas nav izolētas no daudziem citiem ķīmiskiem savienojumiem, piemēram, peptīdiem. Ribozīmi varēja sadarboties ar aminoskābju sekvencēm, kas ietekmēja to darbību. To apstiprina arī fakts, ka ribozīmu, piemēram, splicicezomu (intronu izgriešana no nogatavošanās Messenger RNS), ribosomu (piedalās olbaltumvielu sintēzē) un ribonukleāzes P (RNS degradācijas katalizēšanas) aktivitāte ir atkarīga no saistītajiem proteīniem. Pētījumi ir parādījuši, ka atsevišķi proteīni, kas saistās ar ribozīmiem, izraisa izmaiņas to sekundārajā struktūrā un funkcijās. Tādējādi ribonukleāžu P gadījumā olbaltumvielas var samazināt to darbībai nepieciešamo magnija jonu koncentrāciju. Paturot to prātā, zinātnieki nolēma noskaidrot, vai peptīdi varētu līdzīgā veidā ietekmēt RNS polimerāzes ribosimīdu darbību, samazinot to atkarību no magnija.
Lai atbildētu uz šo jautājumu, jāizvēlas nevis kādi proteīni, bet tikai tie, kas savulaik mijiedarbojās ar RNS pasaules ribozimiem. Zinātnieki pievērsās ribosomu struktūrai, kas ir sava veida molekulārā relikvija. Pētījumu rezultāti norāda, ka ribosomas to modernajā formā jau bija sastopamas LUCA - visu mūsdienu dzīvības formu kopīgais sencis.
Thermus thermophilus ribosomu apakšvienību struktūra
Attēls: Filips Holligers / Kembridža
Ribosomas struktūrā, ko veido olbaltumvielas, ribonukleīnskābes un joni, tiek reģistrēta tās evolūcija. Tādējādi lielā ribosomu apakšvienības pamats ir bagātināts ar magnija joniem. Pakāpeniski tas bija aizaudzis ar papildu moduļiem, kuros jonus aizstāja ar peptīdiem. Pēc zinātnieku domām, ribozīmu un aminoskābju ķēžu attiecības atspoguļo RNS pasaules evolūcijas vēsturi un tās pāreju uz RNS-peptīdu pasauli. Tāpēc tika analizēta peptīdu no ribosomām, kuras tiek uzskatītas par senākajām olbaltumvielu sekvencēm uz Zemes, ietekme.
Pētnieki identificēja vairākus peptīdus no abām baktērijas Thermus thermophilus ribosomu apakšvienībām, kas pastiprināja RNS polimerāzes Z ribozīma aktivitāti, kas replicē RNS molekulas.
Membrānas pūslīšu fluorescences mikroskopijas attēls
Attēls: MRC molekulārās bioloģijas laboratorija / Kembridža / Lielbritānija
Tomēr visnozīmīgākais efekts bija homopolimēru lizīna dekapeptīds (K10), aminoskābju secība desmit lizīna molekulās. Tas atbalstīja ribozīma funkcijas zemā magnija jonu koncentrācijā, veidojot peptīdu-ribozīmu kompleksu. Zinātnieki ir ierosinājuši, ka tas ir saistīts ar starpproduktu stabilizāciju katalītiskajā ciklā.
Lai pārbaudītu, vai šis peptīds varētu veicināt ribozīmu aktivitāti membrānas nodalījumā, pētnieki veica eksperimentu. Tika iegūti stabili pūslīši, kas sastāv no fosfolipīdiem un diacilglicerīniem, kuru iekšpusē bija iekapsulēta RNS. Magnija jonu koncentrācijā 10 milimoli (droša membrānai) un K10 klātbūtnē tika novērota ribozīmu katalizēta RNS sintēze. Tomēr bez magnija sintēze nenotika.
Tas norāda, ka peptīdi patiešām ļāva ribozīmiem veikt katalītisko darbību zemā toksisko jonu koncentrācijā. Tā rezultātā samazinājās RNS polimerāžu atkarība no neorganiskām molekulām, kas atviegloja to evolūciju un, visbeidzot, šūnu evolūciju.
Aleksandrs Enikejevs