I mange årtier har biologer, kemikere og endda matematikere arbejdet med problemet med livets oprindelse. Og selvom der allerede findes videnskabeligt underbyggede og understøttede hypoteser om kemisk udvikling inden udseendet af den første celle, fortsætter arbejdet i denne retning. "Lenta.ru" taler om en ny undersøgelse af problemet med RNA-verdenen, hvis resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences.
Forskere ved Portland State University, der udførte eksperimenter med ribozymer, fandt ud af, at disse molekylers evne til at katalysere deres egen samling afhænger af deres interaktion med andre lignende molekyler. Undersøgelsen understøtter indirekte hypotesen om RNA-verdenen, der siger, at det første organiske molekyle, der blev grundlaget for de første celler, var RNA. Disse RNA-molekyler var i stand til at selvsyntetisere, konkurrere med hinanden og deltage i prebiotisk udvikling, da de mest succesrige forbindelser blev grundlaget for mere komplekse kemiske komplekser.
Mange mennesker ved, at levende celler har deres egne specielle katalysatorer: enzymer, som er komplekst foldede proteinmolekyler, der udfører vitale reaktioner. Enzymer kan imidlertid ikke kun være proteiner, men også RNA-kæder. Husk, at RNA er en nukleinsyre, der meget ligner DNA, men adskiller sig fra den, idet den indeholder ribosesukker (ikke deoxyribose), og en af de nitrogenholdige baser, thymin, erstattes af uracil. Ifølge forskere dukkede RNA op før DNA, da det er meget mere labil (dens struktur er mere modtagelig for ændringer) og kan udføre katalytiske reaktioner uden hjælp af proteiner. RNA-molekyler, der er enzymer, kaldes ribozymer. Typisk katalyserer ribozymer spaltningen af sig selv eller andre RNA-molekyler.
En af de mest studerede ribozymer er Azo, et enzym fremstillet af forskere fra selvskærende gruppe I-introner, der findes i DNA'et fra bakterien Azoarcus. Introner er regioner i gener, der ikke indeholder information om sekvensen af et protein eller nukleinsyre, og skæres ud under messenger RNA (mRNA) modning. Alle gruppe I-introner katalyserer deres egen excision fra RNA-sekvensen. Intron-ribozymet Azo af interesse for forskere er placeret i et gen, der koder for et transport-RNA (tRNA), der bærer aminosyren isoleucin. Inde i cellen udfører Azo, ligesom andre ribozymer, sin egen excision fra tRNA, men under laboratorieforhold var han i stand til at lære at udføre omvendt splejsning: ribozymet skærer på et bestemt sted underlaget - et kort RNA-molekyle med en bestemt nukleotidsekvens,hvoraf stykker forbliver fastgjort til Azo.
Strukturen af ribozymet af bakterien Azoarcus. Fragment IGS er markeret med rødt
Billede: Jessica AM Yeates et al. Institut for Kemi, Portland State University
Azo er ca. 200 nukleotider lang og kan nedbrydes i to, tre eller fire fragmenter, der spontant samles ved 42 grader celsius i nærvær af en MgCl2-opløsning. Selvmonteringsprocessen begynder med interaktionen mellem to nukleotid-tripletter (trillinger), der hører til forskellige RNA-fragmenter. Når der dannes brintbindinger mellem tripletterne i overensstemmelse med princippet om komplementaritet, ændrer ribozymet dele deres rumlige struktur og genforenes med hinanden. Forskere fokuserede på selvmonteringsreaktionen af to fragmenter, der forsigtigt blev benævnt WXY og Z, hvor W, X, Y og Z repræsenterer separate regioner af ribozymet ca. 50 nukleotider i længde (fig. 1). På stedet W, i forreste ende af RNA-molekylet, er en af tripletterne placeret,som er involveret i initieringen af selvsamling og kaldes "intern styresekvens" (IGS). I slutningen af WXY er der en tag-triplet, der, i samspil med IGS, danner en stærk kovalent binding med Z-fragmentet.
Salgsfremmende video:
Forskerne skabte forskellige varianter (genotyper) af WXY-fragmenter ved at ændre nukleotiderne placeret midt i IGS- og tag-tripletterne (henholdsvis nukleotiderne M og N). Da RNA-molekyler normalt dannes af kun fire typer nukleotider, er der 16 sådanne varianter. For eksempel kan en af genotyperne være 5'-GGG-WXY-CAU-3 'og den anden 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Alle disse varianter af molekyler kan konkurrere med hinanden og danne forskellige metaboliske netværk, hvor en fælles ressource - Z-molekylet - kræves for at gendanne et helt ribozym.
Reaktionen mellem forskellige fragmenter af Azo-ribozymet til dannelse af et helt molekyle
Billede: Jessica AM Yeates et al. Institut for Kemi, Portland State University.
I deres eksperimenter testede forskere først evnen til hver genotype til selv at samles separat. Når M og N danner Watson-Crick-par (det vil sige i henhold til princippet om komplementaritet, A - U, C - G), bliver ribozymets selvmonteringshastighed højere end for andre typer par. Forskerne simulerede derefter et varmt "lille dam" -miljø, hvor forskellige prebiotiske molekyler interagerer med hinanden for at få fordele af hinanden og fremskynde selvorganisationen. Biokemikere har fulgt opførslen af genotyper parret med hinanden; i alt har forskere undersøgt 120 par, bestående af to forskellige WXY-varianter. De målte hastigheden for hver reaktion, der fandt sted mellem molekyler af de to WXY-genotyper og Z-fragmenter i separate rør i 30 minutter.
Interaktion mellem sekvenser af forskellige ribozymfragmenter under anvendelse af hydrogenbindinger
Billede: Jessica AM Yeates et al. Institut for Kemi, Portland State University
Ved at kombinere resultaterne fra begge stadier i eksperimentet og have opnået selvmonteringshastighederne, når to forskellige genotyper interagerer, oprettede forskerne et evolutionært eksperiment. Par af genotyper blev blandet i lige store andele, forsynet med Z-fragmenter og reagerede med hinanden i fem minutter. I løbet af denne periode prøvede forskerne 10 procent af opløsningen i et nyt reagensglas, der indeholdt mere ureageret WXY af hver genotype og Z-fragmenter. Videnskabsmænd sporede forholdet mellem hver WXYZ-genotype i otte sådanne overførsler. Dette gjorde det muligt at estimere den kemiske ækvivalent af ribozymers evolutionære succes gennem generationer, som blev observeret som en "eksplosion" - det vil sige en stærk stigning i frekvensen af selvsamling af RNA. I et evolutionært eksperiment studerede biologer interaktionen mellem syv par ribozymer.
Baseret på alle laboratorieeksperimenter har forskere afledt en matematisk model af differentialligninger, der tager højde for hastigheden af selvsamling af genotyper med eller uden tilstedeværelsen af andre genotyper. Denne model blev grundlaget for en ny evolutionær spilteori, der definerer adfærd fra RNA-molekyler. I det ene tilfælde, kaldet "Dominans", er en af genotyperne altid mere almindelig end den anden, mens dens selvmonteringshastighed altid overstiger konkurrentens hastighed. I det andet tilfælde - "Samarbejde" - modtager begge genotyper, der interagerer med hinanden fordele ved "samarbejde", og hastigheden af deres selvsamling overstiger den, de ville have separat fra hinanden. Det "egoistiske scenarie" - det modsatte af "samarbejde" - betyder, at hvert ribozym individuelt får mere end når man interagerer med en anden. Og endeligi "Counter-dominance" begynder genotypen med en lav selvforsamlingshastighed pludselig at forekomme oftere end dens konkurrent.
Denne undersøgelse er ikke rettet mod direkte at bevise RNA-verdenshypotesen, men den repræsenterer et andet stykke i puslespil om videnskabelig forståelse af prebiotisk udvikling. Det blev vist for første gang, at de enzymatiske egenskaber ved individuelle molekyler kan forbedres i nærvær af andre molekyler, der kun adskiller sig med et eller to nukleotider. I den gigantiske løsning, der var jordens oceaner ved livets morgen, konkurrerede disse molekyler med hinanden om underlag, samarbejdede og intensiverede deres handling. På baggrund af dette kan det allerede antages, hvorfor komplekse organiske forbindelser forsøgte at forene sig i systemer, der er prototyper af de første celler.
Alexander Enikeev