Рибосома: капсула времени

Примерно 4 миллиарда лет назад произошла самая важная биологическая трансформация на Земле: минералы и молекулы, являющиеся фундаментом нашей планеты, перешли в живое состояние. Это не только породило разнообразие биологических форм, но и изменило химический состав океанов, Земли и атмосферы.

Жизнь могла зародиться намного ранее, чем мы полагали. Лорен Уильямс, биохимик из Института технологий в Атланте, штат Джорджия, и его коллеги обнаружили, что в клетке любого организма – от бактерий до животных и человека – находится образец самой ранней формы жизни на Земле. Исследование было опубликовано в журнале New Scientist в ноябре 2017 года.

Новый подход ученых к происхождению живых организмов на Земле начался с изучения современных биоформ и двигался к истокам. Он основан на этапах эволюции рибосом – молекулярных соединений, которые образуются из белков и рибонуклеиновой кислоты внутки каждой живой клетки. РНК считывают генетический код, содержащийся в ДНК, и используют его для образования белков. По сути, это клеточные «роботы», которые строят материал для образования наших клеток.

Исходная рибосома

Ученые увидели, что рибосомы человека существенно не отличаются от рибосом низших бактерий. Такое единообразие говорит о том, что это соединение сопровождало все живое на планете с самого начала. По мере эволюционирования новые виды живых существ добавляли к исходной рибосоме дополнительные ветви РНК. Ученые смогли вычленить эти новые ветви, образовывающиеся по мере эволюции, и добрались до ядра: той части рибосомы, которая была функциональна при жизни последнего универсального общего предка – ЛУКА (LUCA, от англ. Last universal common ancestor). А разложив и эту основу, исследователи обнаружили изначальную формулу рибосомы, которая возникла задолго до появления на планете ЛУКА.

Исходная (примитивная) рибосома выглядела несколько иначе, чем рибосома времен ЛУКА. В ней отсутствовали области, считывающие генетический код, поэтому она не могла производить определенный род белка (что делает РНК сегодня). Но исходная рибосома связывала аминокислоты и притягивала к себе другие молекулы, которые образовывали цепи с помощью простых химических реакций. Некоторые соединения были стабильными, но большинство распадалось сразу после образования.

Доктор Уильямс и его коллеги уверены, что изначально не существовало генетического кода. ДНК возникла позднее, и РНК, из-за неспособности считывать генетический код, не могла создавать точные копии одного и того же белка.

В современных клетках сигналы из центральной ДНК отправляются в рибосомы через матричную РНК (мРНК). Рибосома считывает сразу по три сигнала, причем каждый триплет кодирует одну аминокислоту. Аминокислота, в свою очередь, транспортируется к месту синтеза белков с помощью транспортной РНК (тРНК). Передача РНК и мРНК является неотъемлемой частью генетического кода.

Уильямс считает, что ДНК появилась в результате отбора лучших мРНК и тРНК среди изначальных хаотических образований. Так ученые еще раз доказывают земное происхождение жизни.

Один из ключевых процессов, влияющих на эволюцию РНК и белков, состоит в способности белков сворачиваться в сложные трехмерные формы, необходимые для жизнедеятельности. Причем происходит этот процесс лишь в более «современных» цепях РНК: чем моложе часть рибосомы, тем более сложные процессы в ней происходят. Древнее ядро по-прежнему не способно соединять белки. То есть в начале эволюции РНК обходились вообще без белка – одновременно и кодировали информацию, и сами размножались. Белки, более эффективные катализаторы, появились позже. Из этого ученые сделали еще один вывод, что РНК и белок эволюционировали совместно.

Дарвин был прав?

Исследователи долго спорили, зародилась ли жизнь в теплом мелком пруду, как предполагал Дарвин, или в какой-то другой среде. Рибосомы могут стать ключом к разгадке этой тайны. Их древнейшая часть связывает молекулы в длинные цепи. Это достигается путем реакции дегидратизации, в которой связь создается через высвобождение молекулы воды. Таким образом, жизнь зародилась точно не в океане, так как в соленой среде рибосомы не могут функционировать. Ученые полагают, что наиболее вероятное место для начала процесса эволюции – это граница пруда с необходимой для соединения молекул влажностью и сухая среда, благоприятная для создания длинных цепей.

ДНК или РНК?

В основе жизни лежит единство нуклеиновой кислоты и белка. Нуклеиновые кислоты сохраняют в себе генетический код (то есть информацию о строении белков), а белки выполняют химические реакции, которые невозможны сами по себе (в том числе и реакцию копирования нуклеиновой кислоты). Иными словами, белок не может существовать без нуклеиновой кислоты, а нуклеиновая кислота – без белка. А значит, для возникновения генетического кода на Земле должны были появиться сразу и белки, и нуклеиновые кислоты.

Исследователи склонны полагать, что никакой дилеммы здесь нет: жизнь началась не с ДНК, а с РНК, которая с ходом эволюции сначала научилась копировать саму себя, замет начала синтезировать белки и, наконец, передала свою задачу по хранению информации ДНК.