Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории раскрывают новые доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой первые репликаторы на Земле были РНК-молекулами.
Обнаружены новые доказательства РНК-мира
И хотя в «темные годы» расцвета лысенковщины ученый принял сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания роли академика имя его носит главная награда, вручаемая Международным научным обществом изучения возникновения жизни ISSOL , — Медаль Опарина. Премия присуждается каждые шесть лет, и в разное время ее удостаивались и Стэнли Миллер, и великий исследователь хромосом, Нобелевский лауреат Джек Шостак. Получилась уникальная, настоящая эволюционная премия — с изменчивым названием. Научно: Химическая эволюция Теория пытается описать превращение сравнительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественницы собственно жизни, под влиянием внешних факторов, механизмов селекции и самоорганизации. Базовой концепцией этого подхода служит «водно-углеродный шовинизм», представляющий эти два компонента воду и углерод — NS в качестве абсолютно необходимых и ключевых для появления и развития жизни, будь то на Земле или где-то за ее пределами. А главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может развиться в весьма изощренные химические комплексы, способные — прежде всего — к саморепликации.
По одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые выполняли структурную роль. На их внутренней поверхности, как на матрице, могли оседать и полимеризоваться сложные биомолекулы: израильские ученые показали, что такие условия позволяют выращивать достаточно длинные белковые цепочки. Здесь же могли скапливаться нужные количества солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стенки могли выполнять функции клеточных мембран, разделяя «внутреннее» пространство, в котором протекают все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса. Энергию для первичного «обмена веществ» могли поставлять неорганические реакции — такие как восстановление минерала пирита FeS2 водородом до сульфида железа и сероводорода. В этом случае для появления сложных биомолекул не требуется ни молний, ни ультрафиолета, как в экспериментах Миллера — Юри.
А значит, мы можем избавиться от вредных аспектов их действия. Молодая Земля не была защищена от вредных — и даже смертельно опасных — компонентов солнечного излучения. Даже современные, испытанные эволюцией организмы были бы неспособны выдержать этого жесткого ультрафиолета — притом что само Солнце было значительно моложе и не давало достаточно тепла планете. Из этого возникла гипотеза о том, что в эпоху, когда творилось чудо зарождения жизни, вся Земля могла быть покрыта толстым — в сотни метров — слоем льда; и это к лучшему. Скрываясь под этим ледяным щитом, жизнь могла чувствовать себя вполне в безопасности и от ультрафиолета, и от частых метеоритных ударов, грозивших погубить ее еще в зародыше. Относительно прохладная среда могла также стабилизировать структуру первых макромолекул.
Научно: Черные курильщики В самом деле, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, атмосфера которой еще не содержала кислорода и не имела такой замечательной штуки, как озоновый слой, должно было быть убийственным для любой зарождающейся жизни. Из этого выросло предположение о том, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены существовать где-то, скрываясь от непрерывного потока стерилизующих все и вся лучей. Например, глубоко под водой — конечно, там, где имеется достаточно минеральных веществ, перемешивания, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись. Ближе к концу ХХ века стало ясно, что океанское дно никак не может быть пристанищем средневековых монстров: условия здесь слишком тяжелые, температура невелика, излучения нет, а редкая органика способна разве что оседать с поверхности. Фактически это обширнейшие полупустыни — за некоторыми примечательными исключениями: тут же, глубоко под водой, поблизости от выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом.
Реальным ограничением использования урацила является то, что он может быть результатом дезаминирования цитозина , что делает молекулы РНК особенно восприимчивыми к мутациям, которые заменяют пары оснований , такие как GC на GU. Структура РНК делает ее длинные нити хрупкими по своей природе, которые могут подвергаться деградации посредством гидролиза. Ароматические основания, которые эффективно поглощают УФ -излучение , также очень склонны к структурным модификациям, что делает точность такого сохранения очень низкой. Наличие такой оптимизированной молекулы , как ДНК, объясняет, почему сегодня для этой цели не используется РНК, но не исключает, что это могло иметь место на первобытных стадиях жизни на Земле. Значение гипотезы Свойства РНК делают существование мира РНК концептуально возможным, хотя его правдоподобие как объяснение происхождения жизни все еще обсуждается. Несколько иная версия гипотезы состоит в том, что другой тип нуклеиновой кислоты , называемый пре-РНК , первым появился в виде самовоспроизводящейся молекулы, но впоследствии был заменен РНК. Наиболее убедительным доказательством является то, что в рибосоме , состоящей из белков и рибосомной РНК, синтез белка осуществляется не ферментами которые являются белками , а рибосомной РНК , которая в данном случае ведет себя как рибозим. Вторым важным тестом является явление сплайсинга , когда молекула пре-РНК способна разрезать себя без вмешательства ферментов, хотя вмешательство белков, как и в случае с рибосомами, стабилизирует и действует как «каркас» для реакции. Опять же, вироиды , простейшие самовоспроизводящиеся объекты, состоят из РНК, которая действует как рибозим.
РНК также представляет собой единственный генетический материал некоторых вирусов, таких как ретровирусы , что доказывает, что только РНК может составлять геном. Эти и другие свидетельства, присутствующие в современных живых организмах, убедительно подтверждают идею о том, что РНК была последней самореплицирующейся молекулой до появления ДНК [13]. Хотя нуклеотиды не были идентифицированы в классическом эксперименте Миллера-Юрея , есть и другие эксперименты, такие как эксперимент Джоана Оро , которые подчеркивают их возможный автономный синтез в условиях окружающей среды, характерных для происхождения жизни. В последующем эксперименте в менее восстановительной атмосфере, чем у Юри, были получены нуклеотиды [14] , что еще больше укрепило гипотезу мира РНК. Эта гипотеза также подтверждается исследованиями очень простых рибозимов, таких как вирусные Q-бета РНК , которые продемонстрировали способность к самовоспроизведению даже под очень сильным селективным давлением. Фактически ультрафиолетовые лучи одновременно вызывают полимеризацию РНК и расщепление других типов органических молекул, потенциально способных катализировать деградацию РНК например, рибонуклеаз. Во всяком случае, это аспект, еще не подтвержденный экспериментальными наблюдениями. Противоположные аргументы Аргументы, противоречащие гипотезе, основаны на маловероятности спонтанного образования молекул РНК, а также на том, что цитозиновое основание недостаточно проверено в методах пребиотического тестирования, так как легко подвергается гидролизу.
Под воздействием УФ-излучения в присутствии неорганического фосфата процесс завершается образованием рибонуклеотида 1. Коллеги ученых по достоинству оценили результаты их работы. Полная версия отчета ученых опубликована в журнале Nature. Подготовлено по материалам Physorg.
Источник фото: Фото редакции Исследователи разработали модели, имитирующие случайные разрывы в простых молекулах РНК. Оказалось, что короткие цепочки РНК, действуя как праймеры, могут приводить к образованию большого количества копий разрушенного полимера, аналогично процессу регенерации червей. Добавление спонтанно образованных рибозимов к полимерным цепочкам также оказало влияние на процесс самовоспроизводства этих структур.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Долгое время ученые ломали голову над вопросом, как могли возникнуть такие молекулы из более примитивных соединений. Исследование, опубликованное в журнале eLife, представляет собой модель, которая имитирует случайное разрушение простых РНК-молекул. В ходе экспериментов возникали короткие цепочки РНК, способные служить затравками для синтеза более длинных молекул. Этот процесс приводил к формированию большого количества копий исходного полимера, подобно процессу регенерации у червей, разделенных на части.
Естественный отбор мог способствовать развитию каталитической эффективности этих молекул.
Модель также указывает на то, что кооперативные каталитические сети могли быть отобраны эволюцией, что привело к функциональной дифференциации олигомеров на катализаторы и субстраты. Это открытие представляет важный шаг в понимании того, как жизнь могла зародиться из примитивных химических систем на ранних этапах существования Земли и как она эволюционировала к более сложным формам, включающим каталитическую активность.
В присутствии матрицы и праймера ферменты Джойса могли реплицировать РНК длиной более 100 нуклеотидов. В работе 2020 года исследователи получили РНК-полимеразы класса I, способные синтезировать своего «предка» — РНК-лигазу класса I — в виде трех отдельных цепей, которые затем собирались в функциональный рибозим. На этом примере можно понять, как работает эволюция РНК in vitro.
Один из этапов эволюции РНК-полимеразы класса I —рибозима, производящего рибозимы. Credit: PNAS, 2020. DOI: 10. На праймер отжигается матрица коричневый для синтеза участка РНК, превращающего шпильку с биотином в рибозим — молекулу РНК типа «головка молота» hammerhead , которая разрезает сама себя. Полимераза синтезирует hammerhead голубой на матрице, и вся конструкция захватывается на магнитные шарики со стрептавидином.
Если hammerhead успешно синтезирован а в нем есть участок, крайне чувствительный к ошибкам , он вносит разрез в оранжевый участок, полимераза высвобождается, подвергается обратной транскрипции и ПЦР-амплификации; затем с помощью транскрипции синтезируются дочерние молекулы полимеразы, и цикл повторяется.
В современных биохимических системах молекулы РНК практически не участвуют в каталитических процессах, исключение составляют нуклеозиды — малые ядерные РНК, для работы которых требуется кофактор — ионы металла, чаще всего - магния. Однако Лорен Уильямс Loren Williams из Технологического Института Джорджии отмечает, что дискуссии со специалистами по геологии заставили его более точно смоделировать условия на Земле, которые существовали во время существования предполагаемого мира РНК, около 2,5 миллиардов лет назад — значительное количество ионов железа II и малая концентрация свободного кислорода в атмосфере. Уильямс отмечает, что в присутствии кислорода железо разрушает РНК, однако в бескислородном окружении этого не происходит. Исследователи использовали стандартную пероксидазную пробу, в которой происходит окисление органического красителя под действием радикал-катиона, образующегося из пероксида водорода.
РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле
Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. (Различные аспекты гипотезы мира РНК и подтверждающие ее данные основательно рассмотрены в одноименной книге, вышедшей в 2010 г. в 4-м издании: Atkins et al., 2010.). Новости по тэгу. Открытия, показывающие способность молекул РНК самовоспроизводиться, а также выполнять ферментативные функции, привели к возникновению гипотезы мира РНК. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории провели исследования, которые проливают свет на гипотезу РНК-мира. В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы.
Ученые обнаружили новые доказательства теории РНК-мира
Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира. Гипотеза РНК-мира заключается в том, что первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, которые могли инициировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. Ранее считалось, что на Земле способная к размножению жизнь возникла на основе РНК-молекул (так называемая, гипотеза РНК-мира). Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения.
Решена главная проблема появления жизни на Земле
В последнем выпуске Nature Chemistry он и первый автор исследования, Субхенду Боумик, доктор философии, также из Научно-исследовательского института Скриппса, сообщают, что эти смешанные молекулы образуют нестабильные дуплексы и имеют меньшую аффинность к себе. Фактически, исследователи смогли сформировать эти химеры в лабораторных условиях и показать, что они обладают потенциалом для репликации РНК и ДНК, и, таким образом, образованные РНК и ДНК способны воспроизводить химеры. Такое поведение может привести к кросс-каталитической амплификации РНК и ДНК - ключевому шагу к эволюции сложных организмов. Новый проект экспериментально поддерживает идею о том, что жизнь могла возникнуть из гораздо более сложной системы, где «чистой» РНК и ДНК еще не существовало. Как говорит Кришнамурти: «Ничего страшного, не иметь чистой химии».
В ходе эксперимента появились короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Из-за этого появлялось множество копий разрушенного полимера. Ученые сравнили такое явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты. По материалам зарубежных СМИ.
В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета К. Боков и С. Штейнберг, изучив основную составляющую рибосомы бактерии Escherichia coli, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза. Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre , ответственный за транспептидацию образование пептидной связи. Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию.
Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной от того блока, который при отрыве не разрушается, к тому блоку, который разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, который исследователям удалось детально реконструировать. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. Предполагается, что такая структура возникла в результате дупликации удвоения одной исходной лопасти. Методом искусственной эволюции были получены функциональные РНК рибозимы , способные катализировать транспептидацию.
Структура этих искусственно выведенных рибозимов очень близка к структуре той проторибосомы, которую «вычислили» авторы. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А.
В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью. Лучше всего показал себя рибозим, отличающийся от ранее полученного варианта десятью точечными мутациями и обозначенный 71-89 для его получения потребовался в общей сложности 71 раунд эволюции. Затем авторы сравнили новую высокоточную РНК-полимеразу и РНК-полимеразу с низкой точностью по способности синтезировать hammerhead и проводить раунды его эволюции. Процесс был организован так же, как в эксперименте 2020 года: о качестве полимеризации говорила способность готовой РНК-структуры к саморасщеплению, соответственно, успешные молекулы hammerhead «проходили в следующий тур» и становились матрицами для синтеза новых копий. Полимераза с низкой точностью могла поддерживать каталитические свойства субстрата лишь в течение нескольких поколений. Высокоточная полимераза не только справилась с этой задачей на протяжении восьми раундов, но и создала молекулы, превосходящие стартовый вариант по «приспособленности» интересно, что они могли хуже разрезать сами себя, но лучше копировались полимеразой. Таким образом, впервые рибозимы in vitro были использованы для репликации и эволюции других функциональных РНК. Гипотеза РНК-мира получила существенное подтверждение, кроме того, открылись возможности для новых подобных экспериментов. Источник Nikolaos Papastavrou, David P.
Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК
С тех пор он, Уиллс и другие совместно работали над теорией, возвращающейся к тому исследованию. Их главной целью было вывести простейший генетический код, предшествующий современному, более специфичному и сложному. Поэтому они обратились не только к вычислениям, но и к генетике. В основе их теории лежат 20 «нагрузочных» молекул, аминоацил-тРНК-синтетазы. Эти каталитические ферменты позволяют РНК связываться с определёнными аминокислотами в соответствии с правилами генетического кода. Предыдущие исследования показали, что 20 ферментов можно поровну разделить на две группы по 10 штук на основе их структуры и последовательностей. Два этих класса ферментов обладают определёнными последовательностями, кодирующими взаимоисключающие аминокислоты — то есть, эти ферменты должны были появиться из дополняющих цепочек одного древнего гена.
Картер, Уиллс и их коллеги обнаружили, что в таком случае РНК кодировала пептиды при помощи набора всего из двух правил или, иначе говоря, использовала два типа аминокислот. Получившиеся пептиды поддерживали те же самые правила, что управляют процессом передачи, благодаря чему возникает ключевая для этой теории петля обратной связи. РНК-пептидный мир Жизнь могла появиться из взаимодействия РНК и пептидов, работавших в качестве первого генетического кода. Самоподдерживающаяся петля реакций создавала бы ферменты, выбирая всего из двух типов аминокислот вместо 20 типов, имеющихся в современных белках. В недавних работах Картер и Уиллс показывают, что их мир пептидов-РНК решает проблемы с пробелами в истории происхождения жизни, которые неспособна объяснить только одна РНК. Конечно, модель Картера-Уиллса начинается с генетического кода, существование которого предполагает сложные химические реакции, куда входят такие молекулы, как транспортная РНК и нагрузочные ферменты.
Исследователи утверждают, что в предшествовавших предложенному ими сценарию событиях участвовало взаимодействие РНК и пептидов. Однако это предположение оставляет много открытых вопросов о том, как началась такая химия и как она выглядела.
Генетическая информация в виде цепочек ДНК копируется и передается от поколения к поколению. Но как обстояло дело до появления клеток и ДНК? В 1968 году химик Лесли Орджел опубликовал статью, в которой описал возможность существования жизни на Земле исключительно в виде рибонуклеиновых кислот, которые были способны передавать информацию безо всяких белков.
Фрэнсис Уэстолл, директор группы экзобиологии в Центре молекулярной биофизики французского Национального центра научных исследований в Орлеане, отмечает, что формирование оснований требует очень специфических условий. Смеси должны были бы высыхать и подвергаться воздействию ультрафиолетового света — это могло случиться на суше, которая на Земле более четырех миллиардов лет назад была в дефиците. Она добавила, что несмотря на то, что исследование «умное» и «не совсем невозможное», существуют «другие, лучшие гипотезы относительно мест возникновения жизни и пребиотических молекул».
Ранее английские химики воссоздали возможный механизм образования РНК у истоков жизни.
Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении. Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом. Если одна из цепочек обладает петлей шпилькой , то возможно образование молекулы РНК, которая действует как рибозим типа hammerhead, способный осуществлять собственное расщепление. В дальнейшем начинается самовоcпроизводство этого энзима в соответствии с первой моделью.
Тайна появления жизни на Земле
В то же время, хотя абиогенный синтез пуриновых оснований продемонстрирован достаточно давно в частности, аденин является пентамером синильной кислоты , их гликозилирование свободной рибозой аденозина и гуанозина пока показано лишь в малоэффективном варианте. Сначала темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти «пробирочных поколений» эволюции в процессе естественного отбора вывелась новая порода РНК, стойкая к яду. Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений и намного больше поколений РНК, так как поколения сменялись и внутри каждой пробирки. Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее. Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена.
Она была создана постепенно нарастающей эволюцией. После открытия каталитической активности РНК рибозимов их эволюция в автоматизированном устройстве под управлением компьютера наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии в 2008 году. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата, куда входили олигонуклеотиды, которые рибозим распознавал и присоединял к себе, и нуклеотиды для синтеза РНК и ДНК. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность для ускорения процесса несколько раз смесь подвергалась мутированию с помощью полимеразной цепной реакции с использованием "неточных" полимераз. По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде.
За 3 суток каталитическая активность молекул за счёт всего 11 мутаций увеличилась в 90 раз. Эти эксперименты доказывают, что первым молекулам РНК не нужно было обладать достаточно хорошими каталитическими свойствами. Они развились потом в ходе эволюции под действием естественного отбора. В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета К.
На молодой Земле они не могли представлять редкости. И в водном растворе вышеуказанные капли действительно обладают свойством накапливать нужные для синтеза РНК реагенты. Предполагается, таким образом, что возникнув внутри капелек, автокаталитические молекулы прошли длительный путь развития, совершенствуясь, образуя «колонии», пополняя и облагораживая микроскопическую среду обитания продуктами реакций, катализ которых они учились осуществлять. И клетка появилась как результат постепенного замещения абиогенных цитоплазмы и мембраны биогенными уже аналогами. Гипотеза выглядит убедительной, перспективной, но и крайне сложной для экспериментальной проверки. Просто собрать РНК в пробирке, и проделать всё то же самое, но уже внутри плавающих в пробирке коацерватных капелек — две очень большие разницы. О жизни из нафталина? Нафталин — простейший из полиароматических углеводородов, вот и всё. Жизнь же вообще возникла позже.
Эти рибозимы способствовали расщеплению и спариванию РНК-цепочек, что в конечном итоге приводило к образованию молекул РНК, действующих как рибозимы типа "hammerhead", которые могли самовоспроизводиться. Репликация полимеров происходила благодаря циклическому изменению температуры, напоминающему естественные условия циклов день-ночь на ранней Земле. Это позволяет предположить, что древние РНК-полимеры могли использовать такие температурные циклы для своего размножения. Неорганические поверхности, например, камни, также могли играть важную роль в этом процессе, способствуя стабилизации и размножению РНК-молекул.
Ученые сравнили такое явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты. Ранее ученые выяснили, что социальный статус влияет на активность генов и передается от матери к детям. Что думаешь?