Biologai, chemikai ir net matematikai daugelį dešimtmečių dirbo prie gyvybės kilmės problemos. Ir nors jau yra moksliškai pagrįstų ir pagrįstų cheminės evoliucijos hipotezių prieš pasirodant pirmajai ląstelei, darbas šia linkme tęsiamas. „Lenta.ru“pasakoja apie naują RNR pasaulio problemos tyrimą, kurio rezultatai buvo paskelbti žurnale „Proceedings of the National Academy of Sciences“.
Portlando valstijos universiteto mokslininkai, atlikdami ribozimø eksperimentus, nustatë, kad ðiø molekuliø gebëjimas katalizuoti savo montažą priklauso nuo jø sąveikos su kitomis panaðiomis molekulëmis. Tyrimas netiesiogiai palaiko RNR pasaulio hipotezę, kurioje teigiama, kad pirmoji organinė molekulė, tapusi pirmųjų ląstelių pagrindu, buvo RNR. Šios RNR molekulės galėjo savarankiškai sintezuoti, konkuruoti tarpusavyje ir dalyvauti prebiotikų evoliucijoje, kai sėkmingiausi junginiai tapo sudėtingesnių cheminių kompleksų pagrindu.
- „Salik.biz“
Daugelis žmonių žino, kad gyvos ląstelės turi savo specialius katalizatorius: fermentus, kurie yra sudėtingai sulankstytos baltymų molekulės, atliekančios gyvybines reakcijas. Tačiau fermentai gali būti ne tik baltymai, bet ir RNR grandinės. Prisiminkite, kad RNR yra nukleorūgštis, labai panaši į DNR, tačiau nuo jos skiriasi tuo, kad joje yra cukraus ribozė (ne dezoksiribozė), o viena iš azotinių bazių, timinas, yra pakeista uracilu. Anot mokslininkų, RNR atsirado anksčiau nei DNR, nes ji yra daug labili (jos struktūra yra jautresnė pokyčiams) ir gali atlikti katalizines reakcijas be baltymų pagalbos. RNR molekulės, kurios yra fermentai, vadinamos ribozimiais. Paprastai ribozimai katalizuoja pačių arba kitų RNR molekulių skilimą.
Vienas iš labiausiai gerai ištirtų richemimų yra Azo, fermentas, kurį mokslininkai pagamino iš savaime supjaustančių I grupės intronų, rastų Azoarcus bakterijos DNR. Intronai yra genų regionai, kuriuose nėra informacijos apie baltymo ar nukleorūgšties seką ir kurie yra iškirpti per pasiuntinio RNR (mRNR) brendimą. Visi I grupės intronai katalizuoja savo eksciziją iš RNR sekos. Mokslininkams įdomus introninis ribozimas Azo yra gene, koduojančiame transportinę RNR (tRNR), pernešančią aminorūgštį izoleuciną. Ląstelės viduje Azo, kaip ir kiti ribozimai, pats išskiria iš tRNR, tačiau laboratorinėmis sąlygomis jis sugebėjo išmokti atlikti atvirkštinį sujungimą: ribozimas tam tikroje vietoje pjauna substratą - trumpą RNR molekulę su specifine nukleotidų seka.kurių gabalėliai lieka pritvirtinti prie Azo.
Azoarcus bakterijos ribozimo struktūra. IGS fragmentas pažymėtas raudonai
Paveikslėlis: Jessica AM Yeates ir kt. Portlando valstybinio universiteto chemijos katedra
Azo yra maždaug 200 nukleotidų ilgio ir gali suskaidyti į du, tris ar keturis fragmentus, kurie spontaniškai susilieja esant 42 laipsniams Celsijaus, esant MgCl2 tirpalui. Savaiminio surinkimo procesas prasideda nuo dviejų nukleotidų tripletų (tripletų), priklausančių skirtingiems RNR fragmentams, sąveikos. Kai pagal papildomumo principą tarp tripletų formuojasi vandenilio ryšiai, ribozimo dalys keičia savo erdvinę struktūrą ir susijungia viena su kita. Mokslininkai sutelkė dėmesį į dviejų fragmentų, kurie preliminariai buvo pavadinti WXY ir Z, savaiminio surinkimo reakciją, kur W, X, Y ir Z žymi atskiras ribozimo sritis, maždaug 50 nukleotidų ilgio (1 pav.). W vietoje, RNR molekulės priekiniame gale, yra vienas iš tripletų,kuris yra susijęs su savęs surinkimo inicijavimu ir vadinamas „vidine vadovo seka“(IGS). WXY pabaigoje yra žymės trejetas, kuris, sąveikaudamas su IGS, sudaro tvirtą kovalentinį ryšį su Z fragmentu.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Tyrėjai sukūrė skirtingus WXY fragmentų variantus (genotipus), pakeisdami nukleotidus, esančius IGS viduryje, ir žymės tripletus (atitinkamai M ir N nukleotidus). Kadangi RNR molekules paprastai sudaro tik keturių tipų nukleotidai, tokių variantų yra 16. Pavyzdžiui, vienas iš genotipų gali būti 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', o kitas 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Visi šie molekulių variantai gali konkuruoti tarpusavyje, sudarydami įvairius metabolinius tinklus, kuriuose reikalingas bendras resursas - Z molekulė, kad būtų galima atstatyti visą ribozimą.
Reakcija tarp skirtingų azo ribozimo fragmentų sudaro visą molekulę
Paveikslėlis: Jessica AM Yeates ir kt. Portlando valstybinio universiteto chemijos katedra.
Atlikdami eksperimentus, mokslininkai pirmiausia patikrino kiekvieno genotipo galimybes savarankiškai surinkti atskirai. Kai M ir N sudaro Watson-Crick poras (tai yra, pagal papildomumo principą, A - U, C - G), ribozimo savaiminio surinkimo greitis tampa didesnis nei kitų tipų poroms. Tada tyrėjai imitavo šiltą „mažo tvenkinio“aplinką, kurioje įvairios prebiotinės molekulės sąveikauja tarpusavyje, kad gautų naudos viena iš kitos ir paspartintų savireguliaciją. Biochemikai stebėjo tarpusavyje suplanuotų genotipų elgseną. Iš viso mokslininkai ištyrė 120 porų, sudarytų iš dviejų skirtingų WXY variantų. Jie išmatavo kiekvienos reakcijos greitį, vykusį tarp dviejų WXY genotipų molekulių ir Z fragmentų atskiruose mėgintuvėliuose 30 minučių.
Skirtingų ribozimo fragmentų sekų sąveika naudojant vandenilio ryšius
Paveikslėlis: Jessica AM Yeates ir kt. Portlando valstybinio universiteto chemijos katedra
Derindami abiejų eksperimento etapų rezultatus ir gavę savaiminio surinkimo greitį, kai sąveikauja du skirtingi genotipai, tyrėjai sukūrė evoliucinį eksperimentą. Genotipų poros buvo sumaišytos lygiomis dalimis, aprūpintos Z fragmentais ir penkias minutes reagavo tarpusavyje. Per tą laiką mokslininkai atrinko 10 procentų tirpalo į naują mėgintuvėlį, kuriame buvo daugiau nesureagavusio kiekvieno genotipo WXY ir Z fragmentų. Per aštuonis tokius perdavimus mokslininkai stebėjo kiekvieno WXYZ genotipo santykį. Tai leido įvertinti cheminių ekvivalentų, kylančių iš ryžių fermentų evoliucinio pasisekimo per kartas, kuris buvo laikomas „sprogimu“- tai yra, stiprus RNR savaiminio surinkimo greičio padidėjimas. Evoliuciniame eksperimente biologai tyrė septynių porų ribozimikų sąveiką.
Remdamiesi visais laboratoriniais eksperimentais, mokslininkai išrado diferencialinių lygčių matematinį modelį, kuriame atsižvelgiama į genotipų savaiminio surinkimo greitį, jei nėra kitų genotipų. Šis modelis tapo naujos evoliucijos žaidimo teorijos, apibrėžiančios keletą RNR molekulių elgsenos, pagrindu. Vienu atveju, vadinamu „Dominance“, vienas iš genotipų visada yra labiau paplitęs nei kitu, tuo tarpu jo savaiminio surinkimo greitis visada viršija konkurento greitį. Kitu atveju - „Bendradarbiavimas“- abu tarpusavyje sąveikaujantys genotipai gauna naudos iš „bendradarbiavimo“, o jų savarankiško surinkimo greitis viršija greitį, kurį jie turėtų atskirai vienas nuo kito. „Savanaudiškas scenarijus“, visiškai priešingas „Bendradarbiavimui“, reiškia, kad kiekvienas ribozimas gaunama daugiau nei bendraujant su kuo nors kitu. Ir, galiausiai„Priešpriešinėje dominavime“genotipas, kurio savaiminio surinkimo laipsnis yra žemas, staiga pradeda atsirasti dažniau nei jo konkurentas.
Šis tyrimas nėra skirtas tiesiogiai įrodyti RNR pasaulio hipotezę, tačiau jis yra dar vienas gabalas mokslinio prebiotinės evoliucijos supratimo dėlionėje. Pirmą kartą buvo parodyta, kad atskirų molekulių fermentines savybes galima pagerinti esant kitoms molekulėms, kurios skiriasi tik vienu ar dviem nukleotidais. Gigantiniame tirpale, kuris buvo žemės vandenynai gyvenimo auštant, šios molekulės tarpusavyje varžėsi dėl substratų, bendradarbiavo ir suaktyvino savo veiksmus. Remiantis tuo, jau galima manyti, kodėl sudėtingi organiniai junginiai siekė susijungti į sistemas, kurios yra pirmųjų ląstelių prototipai.
Aleksandras Enikejevas