Forskere fra University of Cambridge har modtaget nye beviser til fordel for RNA-verdenshypotesen. Det viste sig, at små aminosyrekæder, når de kombineres med RNA, forbedrer deres katalytiske egenskaber, hvilket tillader dem at blive mindre afhængige af giftige ioner. Og dette er en nødvendig betingelse for dannelsen af de første celler. "Lenta.ru" taler om det arbejde, der er offentliggjort i tidsskriftet Nature.
I henhold til hypotesen om RNA-verdenen opstod liv fra et simpelt biologisk system, hvor der ikke var DNA og proteinmolekyler. Det bestod af RNA-komplekser, der ikke kun kunne lagre genetisk information, men også katalysere kemiske reaktioner (i dette tilfælde blev de kaldt ribozymer). Med andre ord kombinerede de funktionerne af DNA og enzymer. Derefter førte kombinationen af RNA med peptider og deoxyribonukleinsyre til fremkomsten af encellede organismer. Spørgsmålet opstår imidlertid: hvad var fordelene ved samspillet mellem RNA-verdenen og proteiner?
Ribozymes, kaldet RNA-polymeraser, menes at have udgjort hovedparten af RNA-verdenen. De var replikatorer - genstande, der var i stand til selvreplikation. Ressourcerne til dette var nukleotider i den primære bouillon. I begyndelsen havde ribozymer svært ved at kopiere sig selv, fordi deres katalytiske evner ikke var udviklet. De begik fejl, hvilket resulterede i ribozymer med mutationer. Disse ændringer kunne fratage RNA-polymerase evnen til at katalysere, men i nogle tilfælde blev denne kvalitet tværtimod forbedret. Med tiden reproducerede ribozymer hurtigere og mere præcist, blev flere og vandt konkurrencen om ressourcer.
Således var ribozymer de primære genomer, da de lagrede genetisk information om deres egen sekvens. Senere blev de indkapslet i partikler dannet af lipidmembraner, hvilket førte til dannelsen af den første protocelle. Forskere er i stand til at syntetisere analoger af RNA-polymerase ribozymet, der katalyserer syntesen af andre ribozymer, eller endda kopierer korte sekvenser af ribonukleotider. Det er imidlertid stadig ikke muligt at få en ribozymreplikator.
Ribosome Thermus thermophilus
Billede: Public Domain / Wikimedia
Der er også et andet problem. De ribozymer, der er syntetiseret i laboratorier, er kun aktive ved meget høje koncentrationer af magnesiumioner, som ødelægger lipidmembraner. Dette betyder, at der er en grundlæggende inkompatibilitet mellem ribonukleiske RNA-polymeraser og processerne til dannelse af protoceller.
Salgsfremmende video:
Situationen reddes ved det faktum, at RNA-molekylerne ikke er blevet isoleret fra mange andre kemiske forbindelser, såsom peptider. Ribozymes kunne samarbejde med aminosyresekvenser, der påvirkede deres funktion. Dette understøttes også af det faktum, at aktiviteten af ribozymer såsom spliceosomer (udskæring af introner fra modnet messenger-RNA), ribosomer (der deltager i proteinsyntese) og ribonuclease P (katalyserer RNA-nedbrydning) afhænger af beslægtede proteiner. Forskning har vist, at visse proteiner, der binder til ribozymer, forårsager ændringer i deres sekundære struktur og funktion. I tilfælde af ribonukleaser P kan proteiner således reducere koncentrationen af magnesiumioner, der er nødvendige for deres aktivitet. Med dette for øje besluttede forskerne at finde ud af, om peptider kunne påvirke funktionen af RNA-polymerase ribozymer på en lignende måde, hvilket reducerede deres afhængighed af magnesium.
For at besvare dette spørgsmål er det nødvendigt at vælge ikke proteiner, men kun dem, der engang interagerede med ribozymer fra RNA-verdenen. Forskere henvendte sig til strukturen af ribosomer, som er en slags molekylær relikvie. Forskningsresultater viser, at ribosomer i deres moderne form allerede var til stede i LUCA - den fælles stamfar til alle moderne livsformer.
Strukturen af ribosomsubenhederne i Thermus thermophilus
Billede: Philipp Holliger / Cambridge
I strukturen af ribosomet, dannet af proteiner, ribonukleinsyrer og ioner, registreres dens udvikling. Grundlaget for den store ribosomale underenhed er således beriget med magnesiumioner. Efterhånden blev det vokset med yderligere moduler, hvor ioner blev erstattet af peptider. Ifølge forskere afspejler forholdet mellem ribozymer og aminosyrekæder RNA-verdens evolutionære historie og dens overgang til RNA-peptidverdenen. Derfor blev virkningen af peptider fra ribosomer, der betragtes som de mest antikke proteinsekvenser på Jorden, analyseret.
Forskerne identificerede flere peptider fra begge ribosomunderenheder af bakterien Thermus thermophilus, hvilket forbedrede aktiviteten af RNA-polymerase Z-ribozym, der replikerer RNA-molekyler.
Fluorescensmikroskopi-billede af membranvesikler
Billede: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Storbritannien
Den mest signifikante virkning blev imidlertid besat af det homopolymeriske lysinedekapeptid (K10), en aminosyresekvens med ti lysinmolekyler. Det understøttede ribozymfunktioner i lave koncentrationer af magnesiumioner og dannede et peptid-ribozymkompleks. Forskere har antydet, at dette skyldes stabiliseringen af mellemprodukter i den katalytiske cyklus.
For at teste, om dette peptid kunne fremme aktiviteten af ribozymer i membranrummet, gennemførte forskerne et eksperiment. Stabile vesikler blev opnået, bestående af phospholipider og diacylglyceroler, inden i hvilke RNA blev indkapslet. Ved en koncentration af magnesiumioner på 10 millimol (sikkert for membranen) og i nærvær af K10 blev ribozym-katalyseret RNA-syntese observeret. I fravær af magnesium forekom imidlertid syntese ikke.
Dette indikerer, at peptiderne faktisk tillod ribozymes at udføre katalytisk aktivitet ved lave koncentrationer af toksiske ioner. Som et resultat faldt RNA-polymerasers afhængighed af uorganiske molekyler, hvilket letter deres udvikling og i sidste ende cellernes udvikling.
Alexander Enikeev
