Oparinova protein-koacervátová teorie.

Dnes existuje mnoho různých teorií o původu života na Zemi. Ale možná první vědeckou, dobře promyšlenou teorii vzniku života abiogenními prostředky navrhl biochemik A.I. Oparin ve 20. letech minulého století. Teorie byla založena na myšlence, že vše začalo proteiny, a na možnosti, za určitých podmínek, spontánní chemické syntézy proteinových monomerů - aminokyselin - a proteinů podobných polymerů (polypeptidů) abiogenně. Zveřejnění teorie podnítilo četné experimenty v řadě laboratoří po celém světě, které ukázaly reálnost takové syntézy za umělých podmínek. Teorie se rychle stala všeobecně uznávanou a extrémně populární.

Jeho hlavním postulátem bylo, že sloučeniny podobné proteinům, které se spontánně objevily v primárním „bujónu“, byly spojeny do koacervátových kapek – samostatných koloidních systémů (solů) plovoucích ve zředěném vodném roztoku. To poskytlo hlavní předpoklad pro vznik organismů – izolaci určitého biochemického systému od životní prostředí, jeho rozčlenění. Protože některé proteinové sloučeniny koacervátových kapiček mohly mít katalytickou aktivitu, bylo možné podstoupit biologické chemické reakce syntéza uvnitř kapiček - vzniklo zdání asimilace, což znamená růst koacervátu s jeho následným rozpadem na části - rozmnožování. Asimilující, rostoucí a množící se koacervát dělením byl považován za prototyp živé buňky (obr. 1).

Obr. 1. Schematické znázornění vzniku života

podle protein-koacervátové teorie A.I. Oparina.

Vše bylo promyšleno a teoreticky vědecky podloženo, až na jeden problém, nad kterým téměř všichni specialisté v oboru vzniku života dlouho přivírali oči. Pokud spontánně, prostřednictvím náhodných syntéz bez templátů, v koacervátu vznikly jednotlivé úspěšné návrhy proteinových molekul (například účinné katalyzátory, které poskytují výhodu danému koacervátu při růstu a reprodukci), jak by pak mohly být zkopírovány pro distribuci v rámci koacervátů, a ještě více pro přenos na potomky koacervátů? Ukázalo se, že teorie není schopna nabídnout řešení problému přesné reprodukce – v rámci koacervátu a po generace – jednotlivých, náhodně se objevujících efektivních proteinových struktur.

Svět RNA jako předchůdce moderní život.

Nahromadění znalostí o genetickém kódu, nukleových kyselinách a biosyntéze proteinů vedlo ke schválení zásadně nové myšlenky, že vše nezačalo bílkovinami, ale RNA. Nukleové kyseliny jsou jediným typem biologických polymerů, jejichž makromolekulární struktura díky principu komplementarity při syntéze nových řetězců poskytuje schopnost kopírovat vlastní lineární sekvenci monomerních jednotek, jinými slovy schopnost reprodukovat (replikovat) polymer a jeho mikrostruktura. Proto pouze nukleové kyseliny, ale ne proteiny, mohou být genetickým materiálem, tedy reprodukovatelnými molekulami, které opakují svou specifickou mikrostrukturu po generace.

Z mnoha důvodů to byla RNA, a ne DNA, která mohla představovat primární genetický materiál.

Za prvé, v chemické syntéze i biochemických reakcích ribonukleotidy předcházejí deoxyribonukleotidům;

Deoxyribonukleotidy jsou modifikační produkty ribonukleotidů.

Za druhé, v nejstarších, univerzálních procesech vitálního metabolismu jsou široce zastoupeny ribonukleotidy, nikoli deoxyribonukleotidy, včetně hlavních nosičů energie, jako jsou ribonukleosidové polyfosfáty (ATP atd.).

Za třetí, replikace RNA může probíhat bez jakékoli účasti DNA a mechanismus replikace DNA, dokonce i v moderním živém světě, vyžaduje povinnou účast RNA primeru na zahájení syntézy řetězce DNA.

Za čtvrté, i když má RNA všechny stejné templátové a genetické funkce jako DNA, je také schopna vykonávat řadu funkcí obsažených v proteinech, včetně katalyzace chemických reakcí. Existují tedy všechny důvody, proč považovat DNA za pozdější evoluční akvizici - jako modifikaci RNA, specializovanou na plnění funkce reprodukce a ukládání jedinečných kopií genů jako součásti buněčného genomu bez přímé účasti na biosyntéze proteinů.

Po objevu katalyticky aktivních RNA dostala myšlenka prvenství RNA při vzniku života silný impuls k rozvoji a byl formulován koncept soběstačného RNA světa, který předcházel modernímu životu. Možné schéma vzniku světa RNA je znázorněno na Obr. 2.

Obr.2. Schematické znázornění cesty vzniku života podle moderního pojetí primátu světa RNA.

Abiogenní syntéza ribonukleotidů a jejich kovalentní asociace do oligomerů a polymerů, jako je RNA, by mohla probíhat za přibližně stejných podmínek a ve stejném chemickém prostředí, které byly předpokládány pro tvorbu aminokyselin a polypeptidů. Nedávno A.B. Chetverin a jeho kolegové (Proteinový ústav Ruské akademie věd) experimentálně prokázali, že alespoň některé polyribonukleotidy (RNA) v normálním vodném prostředí jsou schopné spontánní rekombinace, tedy výměny segmentů řetězců prostřednictvím transesterifikace. Výměna segmentů krátkého řetězce za dlouhé by měla vést k prodlužování polyribonukleotidů (RNA) a samotná taková rekombinace by měla přispívat ke strukturní diverzitě těchto molekul. Mezi nimi by také mohly vzniknout katalyticky aktivní molekuly RNA.

Dokonce i extrémně vzácný výskyt jednotlivých molekul RNA, které byly schopny katalyzovat polymeraci ribonukleotidů nebo spojení (sestřih) oligonukleotidů na komplementárním vláknu jako templátu, znamenalo zavedení mechanismu replikace RNA. Replikace samotných RNA katalyzátorů (ribozymů) měla vést ke vzniku samoreplikujících RNA populací. Produkcí kopií sebe sama se RNA množily. Nevyhnutelné chyby při kopírování (mutaci) a rekombinaci v samoreplikujících populacích RNA vytvořily stále rozmanitější svět. Navrhovaný starověký svět RNA je tedy „soběstačný biologický svět, ve kterém molekuly RNA fungovaly jako genetický materiál i jako katalyzátory podobné enzymům“.

Vznik biosyntézy bílkovin.

Dále, na základě světa RNA, tvorba mechanismů biosyntézy proteinů, vznik různých proteinů s zděděnou strukturou a vlastnostmi, kompartmentalizace systémů biosyntézy proteinů a proteinových sad, případně ve formě koacervátů, a evoluce koacervátů. buněčné struktury - měly se vyskytovat živé buňky (viz obr. 2).

Problém přechodu ze starověkého světa RNA do moderního světa syntetizujícího proteiny je nejobtížnější i pro čistě teoretické řešení. Možnost abiogenní syntézy polypeptidů a látek podobných proteinům při řešení problému nepomáhá, protože není viditelný žádný konkrétní způsob, jak by tato syntéza mohla být spojena s RNA a spadat pod genetickou kontrolu. Geneticky řízená syntéza polypeptidů a proteinů se musela vyvinout nezávisle na primární abiogenní syntéze svým vlastním způsobem na základě již existujícího světa RNA. V literatuře bylo navrženo několik hypotéz o původu moderního mechanismu biosyntézy proteinů ve světě RNA, ale snad žádnou z nich nelze považovat za důkladně promyšlenou a bezvadnou z hlediska fyzikálně-chemických schopností. Uvedu verzi procesu evoluce a specializace RNA, vedoucí ke vzniku aparátu biosyntézy proteinů (obr. 3), ale nečiní si nárok na úplnost.

Navržené hypotetické schéma obsahuje dva významné body, které se zdají zásadní.

Za prvé se předpokládá, že abiogenně syntetizované oligoribonukleotidy se aktivně rekombinují prostřednictvím mechanismu spontánní neenzymatické transesterifikace, což vede k tvorbě prodloužených řetězců RNA a vede k jejich diverzitě. Právě tímto způsobem se v populaci oligonukleotidů a polynukleotidů mohly objevit jak katalyticky aktivní typy RNA (ribozymy), tak další typy RNA se specializovanými funkcemi (obr. 3). Kromě toho by neenzymatická rekombinace oligonukleotidů komplementárně vázající se na polynukleotidovou matrici mohla zajistit zesítění (sestřih) fragmentů komplementárních k této matrici do jednoho řetězce. Tímto způsobem, a nikoli katalyzovanou polymerací mononukleotidů, mohlo být provedeno primární kopírování (reprodukce) RNA. Samozřejmě, pokud se objevily ribozymy s polymerázovou aktivitou, pak účinnost (přesnost, rychlost a produktivita) kopírování byla komplementární. matice se musela výrazně zvýšit.

Obr.3. Schéma evoluce a specializace molekul RNA v procesu přechodu z antického světa RNA do moderní svět geneticky podmíněná biosyntéza bílkovin.

Druhým základním bodem této verze je, že primární aparát pro biosyntézu proteinů vznikl na základě několika typů specializovaných RNA dříve, než se objevil enzymatický (polymerázový) replikační aparát genetického materiálu - RNA a DNA. Tento primární aparát zahrnoval katalyticky aktivní proribozomální RNA s peptidyltransferázovou aktivitou; soubor pro-tRNA, které specificky vážou aminokyseliny nebo krátké peptidy; jiná proribozomální RNA, schopná interakce současně s katalytickou proribozomální RNA, pro-mRNA a pro-tRNA (viz obr. 3). Takový systém by již mohl syntetizovat polypeptidové řetězce díky transpeptidační reakci, kterou katalyzuje. Mezi dalšími katalyticky aktivními proteiny - primárními enzymy (enzymy) se objevily i proteiny, které katalyzují polymeraci nukleotidů - replikázy, neboli NK polymerázy.

Je však možné, že hypotéza o starověk RNA, jako předchůdkyně moderního živého světa, nikdy nebude schopna získat dostatečné zdůvodnění k překonání hlavního problému – vědecky věrohodného popisu mechanismu přechodu z RNA a její replikace k biosyntéze proteinů.

Na závěr bych rád dodal zklamání, že „svět“ RNA je jen jednou z hypotéz, která může být s přibývajícími znalostmi a vývojem výzkumných metod nahrazena věrohodnější a podloženou hypotézou. V této fázi vývoje vědy se zdá nepravděpodobné, že by se lidstvu nakonec podařilo vyřešit záhadu původu života. Zůstává nepochybné, že jeho řešení člověk nikdy nevzdá. Schopnost porozumět světu a změnit jej je totiž tou hlavní „mutací“, která v posledních milionech let pohání jeden z druhů primátů, podřizuje jej vůli všech bývalých „příbuzných“ a umožňuje mu být arogantně nazývaný Král přírody.

Seznam použité literatury

Markov A.V. Zrození složitosti / A.V. Markov. – Nakladatelství „Astrel“, 2010. – 528 s.

Oparin A.I. Život, jeho povaha, vznik a vývoj / A.I. Oparin. - 2. vyd., rozšířeno. - M.: Nauka, 1968. - 173 s.

Spirin A.S. Biosyntéza proteinů, svět RNA a vznik života / A.S. Spirin. - Vestn. RAS., 2001. – 320-328s.

Titok M.A. Molekulární aspekty evoluce/M.A. Titok. – Minsk: BSU, 2011. – 180 s.

Ústřední dogma biologie, formulované Francisem Crickem na konci 50. let, je studováno ve své klasické podobě: DNA → RNA → protein. Existuje však dostatek údajů, abychom pochybovali o doslovném pochopení tohoto hlavního principu života.

Poslední příklad: v červnové publikaci Vědecké zprávy Ruští vědci z Institutu bioorganické chemie a Federálního vědeckého a klinického centra pro fyzikálně-chemickou medicínu prokázali, že diverzita proteinových izoforem v buňkách je výrazně menší, než je teoreticky možné. Novináři spěchali s oznámením, že myšlenka centrálního dogmatu molekulární biologie se mění. Dogma se však měnilo už 70 let, protože původně šlo jen o hypotézu. Tvůrce Crick to nazval „dogma“, protože se mu toto slovo líbilo! Důležitá je další věc: jak a proč se mění hlavní hypotéza molekulární biologie.

Příliš mnoho RNA

Genetická informace se čte z kódujících sekvencí genomu, reprezentovaných geny. Jen malá část genomu eukaryot (rostlin, živočichů, hub) obsahuje geny a hlavní část představují rozšířené nukleotidové sekvence s nedostatečně pochopenými funkcemi. V lidském genomu je pouze čtvrtina pokryta geny a pouze 1 % sekvencí DNA kóduje informaci zaznamenanou ve funkčních molekulách RNA (součást dogmatu „DNA → RNA“). To znamená, že 1 % genomové DNA obsahuje informace o všech molekulách RNA. Proč potřebujeme zbývajících 99 %?

V minulé roky Ukázalo se, že intergenové úseky DNA mají regulační funkci: obsahují systémy a prvky, které zajišťují jemné doladění práce genů, zapínají nebo vypínají je v určitých tkáních těla nebo ve specifických fázích vývoje. Na takové prvky se vážou různé komplexy obsahující molekuly regulačních proteinů a RNA. Již na této úrovni je zřejmé, že model „DNA → RNA → protein“ plně nefunguje, protože z velké části DNA nevzniká RNA, ale nese jiné funkce.

Některé geny kódují RNA s regulačními funkcemi. Tyto RNA neobsahují informace o proteinové sekvenci, ale primárně organizují syntézu proteinů v buňce. Hlavní součástí takových RNA jsou složky ribozomů (ribozomální RNA), komplexy provádějící translaci a také molekuly nosičů aminokyselin (transferové RNA), nezbytné pro účastníky procesu syntézy proteinů na matrici RNA (translace). 90 % veškeré RNA v buňce patří k uvedeným typům.

Mezi zbývajícími 10 % molekul RNA jsou zastoupeny všechny RNA kódující protein, ale i mezi těmito RNA se nacházejí nekódující molekuly, zejména malé jaderné RNA. Tyto RNA jsou základními složkami sestřihového komplexu. Sestřih je proces odstranění nekódujících oblastí (intronů) z primární molekuly RNA a následného spojení kódujících (exonů); výsledná messenger RNA (mRNA) obsahuje informaci o proteinové sekvenci připravené ke čtení.

Právě tento komplex připravuje prekurzory mRNA na syntézu správných proteinů – vystřižením ze středu sekvencí RNA, které nenesou informaci o složení proteinu, ale obsahují regulační prvky. Takže část dogmatu „RNA → protein“ má svá omezení.

Molekulární "kontrola kvality"

Co víme o takzvaných genech „kódujících proteiny“? V prokaryotických buňkách (bakteriích) je pro tento typ genu vše jednoduché: molekuly RNA se přepisují na matrici DNA a na jejich základě se syntetizují molekuly proteinů. Nejčastěji jsou molekuly RNA připraveny k syntéze během transkripce.

V eukaryotických buňkách je vše mnohem složitější: molekuly RNA syntetizované při transkripci nejsou připraveny na translaci (syntézu bílkovin), nejprve musí projít řadou změn. Na konce molekul RNA je zavedena určitá sada modifikací (a RNA se stává stabilní a také vstupuje do určitých oblastí buňky - „proteinových továren“), introny jsou vyříznuty ze středu molekul. Bez sestřihu a spojení exonů nelze syntetizovat správnou molekulu proteinu.

Jak se genomy stávají složitějšími, zvyšuje se podíl sestřihu na procesu zrání mRNA: u kvasinek jsou sestřižena pouze 4 % genů kódujících protein, u Drosophila - 83 % a u lidí - 94 %. Většina lidských genů obsahuje ve svém složení více než jeden intron a více než polovina lidských genů může být spojena několika způsoby. Sestřih je tedy dalším regulačním mechanismem, který řídí množství „správné“ RNA, na jejíž matrici lze spustit syntézu proteinových molekul.

Kromě toho je sestřih často druhem „kontroly kvality“ molekul RNA a reguluje jejich stabilitu. A protože alternativní sestřih vede k tvorbě RNA založené na stejné molekule různé možnosti zralé mRNA, je to způsob, jak zajistit další proteinovou diverzitu v buňce. Taková rozmanitost je nezbytná pro lepší adaptabilitu organismu: různé izoformy proteinů mohou pracovat v různých typech buněk, být transportovány do různých kompartmentů nebo tvořit různé rozpoznávací povrchy pro ligandy atd.

O čem vydávají geny hluk?

Ne všechny izoformy proteinu mají známé funkce a v mnoha případech nelze proteinový produkt detekovat pro alternativně sestřižené molekuly RNA. Autoři tohoto článku v Vědecké zprávy, který studoval produkty alternativního sestřihu v mechovém modelu, nenašel proteiny pro většinu alternativně sestřižených molekul mRNA. Ve studiích provedených na jiných modelových organismech nebyly proteinové molekuly také nalezeny pro mnoho alternativně sestřižených variant mRNA.

Možná jsou takové molekuly vedlejším produktem regulace „množství“ genové exprese, „genového šumu“; nebo některé izoformy proteinu jsou potřeba v extrémně omezeném množství.

Kromě toho mnoho intronů genů obsahuje regulační prvky, které řídí procesy sestřihu, a mohou zde být také nekódující RNA zapojené do buněčného metabolismu. Takže rozmanitost izoforem a dokonce i proteinová exprese může být řízena přímo molekulami RNA, bez účasti DNA.

S rozvojem celogenomových technologií se objevuje stále více prací o nekódujících molekulách RNA. Lidský genom obsahuje obrovské množství takových RNA – „dlouhých“ a „krátkých“: provádějí důležité regulační funkce v buňce. Tyto RNA monitorují stabilitu RNA kódujících proteiny, aktivují nebo potlačují geny a působí jako senzory při různých zátěžích. Funkce hlavní části nekódující RNA dosud nebyly popsány, jedná se o celý svět, bez kterého nemůže existovat buňka ani organismus.

Dosud nashromážděná data naznačují, že na molekulární úrovni je život formou implementace funkcí RNA. DNA uchovává informace, protein je zodpovědný za buněčný metabolismus a život buňky (a organismu) je organizován a řízen ve fázi fungování molekul RNA.

Existují dokonce návrhy, že RNA byla na úsvitu evoluce prvním biopolymerem schopným samoreprodukce. RNA může být na jedné straně stejně jako DNA úložištěm genetické informace (genomy obrovské skupiny virů jsou reprezentovány RNA). Na druhou stranu jsou známy i RNA s katalytickou funkcí, schopné plnit některé funkce proteinů. Zastánci světa RNA se domnívají, že rozhodující roli při vzniku sehrály vlastnosti RNA, které jim umožnily reprodukovat informace zaznamenané v nukleotidových sekvencích vlastní enzymatickou aktivitou. genetický aparátžijící organismy.

Čas na taková zobecnění ještě nenastal. Vědci teprve začínají chápat, že systém, který studují 100 let, je mnohem složitější, než se zdálo ještě před 20 lety.

Mezi moderní koncepty Jednu z dominantních pozic ve vzniku života zaujímá teorie světa RNA. Zkusme přijít na to, co to je.

Objevy v molekulární biologii minulého století vedly lidstvo k pochopení struktury života na chemické úrovni. Ukázalo se, že základ životní činnosti každého organismu tvoří dvě skupiny biopolymerních látek: bílkoviny a nukleové kyseliny.

Proteiny, jejichž dlouhé, složitě složené řetězce se skládají z desítek a stovek postupně spojených aminokyselin, slouží v buňce jako pracovní nástroje a univerzální stavební materiál. Enzymové proteiny urychlují a řídí všechny chemické reakce probíhající v buňce a utvářejí její vzhled.

Proteiny jsou ale dočasné nástroje, jejichž potřeba se v průběhu života organismu neustále mění. K uchování informací o bílkovinách, potažmo o stavbě organismu samotné, využívá příroda nukleové kyseliny - DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina). Tyto dlouhé molekuly, postavené ze čtyř typů nukleotidů spojených dohromady, mají velmi podobnou strukturu, ale mají různé vlastnosti. Dva řetězce DNA nasměrované v různých směrech tvoří pevnou a stabilní dvoušroubovici dlouhou miliony nukleotidových párů. RNA na druhé straně tvoří relativně krátké řetězce, které podléhají různým chemickým reakcím a jsou na sobě tkané do smyček.

Struktura molekuly DNA. Obrázek: Richard Wheeler/Wikimedia

Tak odlišná struktura vysvětlil vědcům zásadně odlišné funkce DNA a RNA. Ukázalo se, že DNA je spolehlivým dlouhodobým úložištěm informací o tělesných bílkovinách a RNA je mobilním nosičem informací s krátkou životností. Je syntetizován polymerázovými proteiny pomocí templátu DNA a je zodpovědný za dekódování informace zapsané v DNA a také za sestavení proteinů podle plánu DNA.

Celá tato hromada znalostí byla nashromážděna vědci v polovině 60. let minulého století a stala se předchůdcem skutečné biotechnologické revoluce. Zároveň ale postavil vědce potýkající se s problémem vzniku života s paradoxem.

K existenci prvního „živého“, tedy biochemických systémů schopných reprodukce a sebeudržování, stačí DNA, RNA a protein. S rolí RNA se zdá být vše jasné – typická pochůzková molekula, která vlastně nic neumí a nic neřeší, ale je nezbytná pro přenos informací z DNA a fungování mechanismů sestavení proteinů. . Ale proteiny a DNA jasně musely zaujímat ústřední místo v obrazu prehistorického světa.

Informace o struktuře proteinových katalyzátorů, které dokážou všechno na světě, mohou být zachovány pouze tehdy, když jsou zaznamenány ve struktuře DNA. Zároveň stabilní DNA, i když dokonale uchovává informace, není schopna nezávislých chemických přeměn, snad kromě pomalého rozpadu. Co se objevilo dříve v evoluci - dovedné proteiny s krátkou životností nebo spolehlivá, ale bezmocná DNA? Jedno se nemůže objevit bez druhého a náhodný okamžitý vznik komplexního samoreplikujícího systému DNA-RNA-protein se zdál neuvěřitelný.

Tehdy vědci zaměřili svou pozornost na RNA. RNA není stabilní a je hrozná při ukládání informací, ale stále je uchovává. Co když předpokládáme, že řetězce RNA vetkané do ozdobných smyček mohou fungovat jako enzymatické proteiny a katalyzovat, tedy urychlovat, biochemické reakce? I kdyby se s tímto úkolem dokázaly vyrovnat stokrát hůře než proteiny, hypoteticky by takové RNA katalyzátory mohly existovat stabilně a množit se na povrchu. starověká země ještě před příchodem proteinů a DNA. A jejich chemická nestabilita by byla dokonce plus, což by vedlo k zběsilému tempu evoluce primitivní RNA fauny.

Struktura prekurzorové molekuly messenger RNA. Obrázek: Vossman/Wikimedia

Odvážná hypotéza se ukázala jako prorocká, počátkem 80. let byly nalezeny první ribozymy - biokatalyzátory na bázi RNA. O něco později vědci získali aptamery – molekuly RNA schopné selektivně vázat určité látky. Ukázalo se, že RNA může provádět jak biokatalýzu, tak práci molekulárního rozpoznávání. Ano, dělá to hůř než veverky, ale pořád to dělá.

Od té doby vědci nevzdávají vytrvalé pokusy získat v laboratoři ribozym schopný stabilního kopírování (replikace) molekul RNA jakékoli struktury. Podobný ribozym, který by se objevil na úsvitu evoluce, by se stal skutečným „jádrem“ hypotetického světa RNA a jeho produkce by byla hmatatelným potvrzením stále spekulativní hypotézy.

Během let výzkumu byly získány ribozym-ligázy, které dokážou zesíťovat molekuly RNA mezi sebou, a dokonce i ribozym-polymerázy, které kopírují malé fragmenty RNA, které jsou jednotné ve svém nukleotidovém složení. Ale na všech složitých sekvencích schopných biokatalýzy a molekulárního rozpoznání se tvrdošíjně zastavily a odmítaly pracovat.

A nedávno v renomovaném časopise PNAS Byl publikován článek o přípravě prvního ribozymu, který spolehlivě kopíruje templáty RNA libovolného složení nukleotidů. Během experimentů vědci nahradili evoluci sami sebou: by umělý výběr Ve zkumavce se jim podařilo vytvořit ribozym, který kopíruje RNA s dříve nedosažitelnou přesností.

Každé z 24 kol selekce mutací začalo kopírováním již existujícího enzymu v biochemickém procesu zvaném riboPCR. Tato reakce je analogem dobře známé polymerázy řetězová reakce(PCR), která umožňuje syntetizovat miliony kopií požadovaného fragmentu DNA během několika hodin. Aby se v systému objevil materiál pro umělou selekci, byla reakce upravena tak, aby se snížila přesnost kopírování. Chybovost dosáhla 10 % na jednotlivý nukleotid. Díky této plánované náhodné mutagenezi se vědcům podařilo získat 10 14 (100 bilionů!) různých variant původního ribozymu. Po dokončení reakce byly mutantní ribozymy pečlivě vybrány vědci: do dalšího kola mutací prošly pouze nejrychlejší a nejpřesnější ribozymy, schopné co nejlépe kopírovat templát.

Po dokončení této pečlivé práce získali vědci ribozym zvaný 24-3 polymeráza. Vědci poprvé získali ribozym schopný replikovat malé řetězce RNA libovolné sekvence. S jeho pomocí bylo možné replikovat několik aptamerů. Katalyticky aktivní ribozym ligáza byla poté zkopírována neúnavnou polymerázou. Skutečným úspěchem však bylo, že pomocí 24-3 polymerázy bylo možné replikovat jednu z transferových RNA. Tyto velké molekuly RNA, složitě vetkané do tvaru připomínajícího jetelový list, transportují aminokyselinové jednotky do místa sestavování proteinových řetězců a jsou základní složkou aparátu pro syntézu proteinů.

Rychlost působení výsledného ribozymu se ukázala jako extrémně nízká a produktivita je nesrovnatelná s přírodními proteinovými polymerázami, ale hlavní je, že byl získán a funguje. Nyní, aby prokázali možnost existence starověkého světa RNA, vědcům zbývá poslední krok – vytvořit ribozym schopný stabilně se replikovat. Když se to podaří, lidstvo obdrží ve zkumavce kolonii samokopírovacích molekul RNA - potenciální analog první formy života na naší planetě.

Několik měsíců práce umožnilo výzkumníkům přiblížit se k vytvoření umělého prototypu primitivního života. Co se mohlo stát? přírodní výběr za stovky milionů let? Nikdy předtím jsme nebyli tak blízko odpovědi na tuto otázku.

Chcete-li lépe porozumět komponentám, o kterých procesech se v článku diskutuje, podívejte se na toto krátké video. Slova o „inteligentním designu“ je lepší ignorovat.

RNA svět— hypotetická fáze vzniku života na Zemi, kdy soubory molekul ribonukleové kyseliny plnily jak funkci ukládání genetické informace, tak katalyzující chemické reakce. Následně z jejich asociací vznikl moderní DNA-RNA-proteinový život izolovaný membránou od vnějšího prostředí. Myšlenku světa RNA poprvé navrhl Carl Woese v roce 1968, později ji rozvinul Leslie Orgel a nakonec ji zformuloval Walter Gilbert v roce 1986.

Skutečnost, že RNA může obsahovat dědičnou informaci, vedla Waltera Gilberta k návrhu, že ve starověku byla RNA používána jako genetický materiál i jako katalyzátory a strukturální složky buňky a následně byly tyto role přerozděleny mezi DNA a proteiny. Tato hypotéza je nyní známá jako hypotéza světa RNA.

Pokud byly RNA prvními molekulárními stroji používanými v raných živých buňkách, pak ribozymy, které dnes existují (jako je ribozomový aparát), lze považovat za živé fosilie – příklady živých věcí vyrobených z nukleových kyselin.

souhrn

V živých organismech probíhají téměř všechny procesy hlavně díky proteinovým enzymům. Proteiny se však nemohou samy replikovat a jsou syntetizovány de novo v buňce na základě informací obsažených v DNA. Ke zdvojení DNA však dochází pouze díky účasti proteinů a RNA. Vzniká začarovaný kruh, kvůli kterému bylo v rámci teorie spontánního generování života nutné uznat potřebu nejen abiogenní syntézy obou tříd molekul, ale také samovolného vzniku komplexu systém jejich vzájemného vztahu.

Počátkem 80. let byla v laboratoři T. Checka a S. Altmana v USA objevena katalytická schopnost RNA. Analogicky s enzymy byly katalyzátory RNA nazývány ribozymy a Thomas Check byl oceněn cenou za jejich objev v roce 1989. Nobelova cena v chemii. Navíc se ukázalo, že aktivní centrum ribozomů obsahuje velké množství rRNA. RNA je také schopna vytvořit dvojvlákno a sama se replikovat.

RNA by tedy mohla existovat zcela autonomně, katalyzovat „metabolické“ reakce, například syntézu nových ribonukleotidů a samoreprodukovat se, udržovat katalytické vlastnosti od „generace“ do „generace“. Hromadění náhodných mutací vedlo k objevení se RNA, které katalyzují syntézu určitých proteinů, které jsou účinnějšími katalyzátory, a proto byly tyto mutace fixovány během přirozeného výběru. Na druhé straně se objevila specializovaná úložiště genetické informace – DNA. RNA mezi nimi zůstala jako prostředník.

Role RNA v moderním světě

Stopy světa RNA zůstávají v moderních živých buňkách a RNA se podílí na kriticky důležitých procesech buněčného života:

• Hlavním nositelem energie v buňkách, ATP, je ribonukleotid, nikoli deoxyribonukleotid.
• Biosyntéza bílkovin se téměř výhradně provádí pomocí různé typy RNA:

Messenger RNA jsou templátem pro syntézu proteinů v ribozomech;
- transferové RNA dodávají aminokyseliny do ribozomů a implementují genetický kód;
- ribozomální RNA tvoří aktivní centrum ribozomů, které katalyzuje tvorbu peptidových vazeb mezi aminokyselinami.

• RNA je také kritická pro replikaci DNA:

K zahájení procesu duplikace DNA je zapotřebí „rozsévač“ RNA (primer);
- pro nekonečné zdvojování DNA, neomezené Hayflickovým limitem, v eukaryotických buňkách jsou koncové úseky chromozomů (telomery) neustále obnovovány enzymem telomeráza, jehož součástí je templát RNA.

• V procesu reverzní transkripce se informace z RNA přepisují do DNA.
• Během zrání RNA se používají různé RNA nekódující proteiny, včetně malých jaderných RNA a malých jaderných RNA.

Mnoho virů navíc ukládá svůj genetický materiál ve formě RNA a dodává infikované buňce RNA-dependentní RNA polymerázu pro její replikaci.

Abiogenní syntéza RNA

Syntéza RNA z jednodušších sloučenin nebyla experimentálně plně prokázána. V roce 1975 Manfred Samper a Rudiger Lews v Eigenově laboratoři prokázali, že ve směsi, která neobsahuje vůbec žádnou RNA, ale obsahuje pouze nukleotidy a replikázu Qβ, může za určitých podmínek spontánně vzniknout samoreplikující se RNA.

V roce 2009 se skupině vědců z Manchesterské univerzity pod vedením Johna Sutherlanda podařilo prokázat možnost syntézy uridinu a cytidinu s vysokou účinností a stupněm konsolidace výsledku reakce (stejně jako možnost akumulace konečných produkty) v podmínkách rané Země. Přitom ačkoliv abiogenní syntéza purinových bází byla prokázána již poměrně dávno (zejména adenin je pentamer kyseliny kyanovodíkové), jejich glykosylace volnou ribózou adenosinu a guanosinu byla dosud prokázána pouze v neúčinným způsobem.

Evoluce RNA

Schopnost molekul RNA se vyvíjet byla jasně prokázána v řadě experimentů. Ještě před objevem katalytické aktivity RNA prováděli takové experimenty Leslie Orgel a kolegové v Kalifornii. Do zkumavky s RNA přidali jed – ethidium bromid, který inhibuje syntézu RNA. Nejprve byla rychlost syntézy zpomalena jedem, ale asi po devíti „generacích ve zkumavce“ evoluce proces přirozeného výběru vytvořil nový druh RNA, který byl odolný vůči jedu. Postupným zdvojnásobením dávek jedu bylo vyvinuto plemeno RNA, které bylo odolné vůči velmi vysokým koncentracím. Celkem se v experimentu vystřídalo 100 generací zkumavek (a mnohem více generací RNA, protože generace se měnily i uvnitř každé zkumavky). I když v tomto experimentu byla replikáza RNA přidána do roztoku samotnými experimentátory, Orgel zjistil, že RNA je také schopna spontánního sebe kopírování bez přidání enzymu, i když mnohem pomaleji.

Další experiment byl později proveden v laboratoři Německá škola Manfred Eigen. Objevil spontánní tvorbu molekuly RNA ve zkumavce se substrátem a replikázou RNA. Vznikla postupně rostoucí evolucí.

Po objevu katalytické aktivity RNA (ribozymů) byl jejich vývoj v automatizovaném, počítačem řízeném zařízení pozorován v experimentech Briana Pegela a Geralda Joyce ve Scripps Research Institute v Kalifornii v roce 2008. Faktorem hrajícím roli selekčního tlaku byl omezený substrát, který zahrnoval oligonukleotidy, které ribozym rozpoznal a navázal na sebe, a nukleotidy pro syntézu RNA a DNA. Při konstrukci kopií někdy docházelo k defektům – mutacím – ovlivňujícím jejich katalytickou aktivitu (pro urychlení procesu byla směs několikrát mutována pomocí polymerázové řetězové reakce pomocí „nepřesných“ polymeráz). Výběr molekul probíhal na tomto základě: molekuly, které se kopírovaly nejrychleji, začaly v prostředí rychle dominovat. Poté bylo odstraněno 90 % směsi a místo toho byla přidána čerstvá směs se substrátem a enzymy a cyklus se znovu opakoval. Za 3 dny se katalytická aktivita molekul zvýšila 90krát díky pouze 11 mutacím.

Tyto experimenty dokazují, že první molekuly RNA nemusely mít dostatečně dobré katalytické vlastnosti. Vyvinuli se později v průběhu evoluce pod vlivem přírodního výběru.

V roce 2009 kanadští biochemici z Montrealské univerzity K. Bokov a S. Steinberg, kteří studovali hlavní složku ribozomu bakterie Escherichia coli, molekulu 23S rRNA, ukázali, jak by se mohl vyvinout mechanismus syntézy proteinů z relativně malých a jednoduché ribozymy. Molekula byla rozdělena do 60 relativně nezávislých strukturních bloků, z nichž hlavním je katalytické centrum (peptidyl-transferázové centrum, PTC, peptidyl-transferázové centrum), zodpovědné za transpeptidaci (tvorbu peptidové vazby). Bylo ukázáno, že všechny tyto bloky mohou být postupně oddělovány od molekuly bez zničení její zbývající části, dokud nezůstane pouze transpeptidační centrum. Zachovává si však schopnost katalyzovat transpeptidaci. Pokud je každá vazba mezi bloky molekuly znázorněna jako šipka směřující z bloku, který není zničen při oddělení k bloku, který je zničen, pak takové šipky netvoří jediný uzavřený kruh. Pokud by byl směr spojení náhodný, pravděpodobnost toho by byla menší než jedna ku miliardě. V důsledku toho tato povaha spojení odráží sekvenci postupného přidávání bloků během evoluce molekuly, kterou vědci dokázali podrobně rekonstruovat. Počátkem života tedy mohl být relativně jednoduchý ribozym – PTC centrum molekuly 23S rRNA, ke kterému se pak přidávaly nové bloky zlepšující proces syntézy bílkovin. Vlastní PTC se skládá ze dvou symetrických čepelí, z nichž každá drží CCA "ocas jedné molekuly tRNA. Předpokládá se, že tato struktura vznikla jako výsledek duplikace (zdvojení) jedné původní čepele. Metoda umělá evoluce byly získány funkční RNA (ribozymy) schopné katalyzovat transpeptidaci. Struktura těchto uměle odvozených ribozymů je velmi blízká struktuře protoribozomu, kterou autoři „vypočítali“.

Vlastnosti objektů ve světě RNA

Existují různé předpoklady o tom, jak vypadaly samoreplikující RNA systémy. Nejčastěji se předpokládá potřeba RNA agregujících membrán nebo umístění RNA na povrchu minerálů a v pórovém prostoru sypkých hornin. V 90. letech A. B. Chetverin a jeho kolegové prokázali schopnost RNA tvořit molekulární kolonie na gelech a pevných substrátech, když jsou vytvořeny podmínky pro replikaci. Docházelo k volné výměně molekul, které si při srážce mohly vyměnit řezy, jak bylo ukázáno experimentálně. Celá sada kolonií se díky tomu rychle vyvinula.

Po vzniku syntézy proteinů se úspěšněji rozvíjely kolonie, které mohly vytvářet enzymy. Kolonie se staly ještě úspěšnějšími, protože vytvořily spolehlivější mechanismus pro ukládání informací v DNA a nakonec se oddělily od venkovní svět lipidová membrána, která zabraňuje disperzi jejích molekul.

Pre-RNA světy

Biochemik R. Shapiro kritizuje hypotézu světa RNA a věří, že pravděpodobnost spontánního vzniku RNA s katalytickými vlastnostmi je velmi nízká. Místo hypotézy „na počátku byla RNA“ navrhuje hypotézu „na počátku byl metabolismus“, tedy vznik komplexů chemických reakcí – analogů metabolických cyklů – za účasti nízkomolekulárních sloučenin. vyskytující se uvnitř kompartmentů – prostorově omezených spontánně vytvořenými membránami nebo jinými fázovými hranicemi – regiony. Tento koncept je blízký koacervátní hypotéze abiogeneze navržené A.I. Oparinem v roce 1924.

Další hypotéza abiogenní syntézy RNA, navržená k vyřešení problému nízké odhadované pravděpodobnosti syntézy RNA, je hypotéza světa polyaromatických uhlovodíků, navržená v roce 2004, která navrhuje syntézu molekul RNA na základě hromady polyaromatických kruhů.

Ve skutečnosti obě hypotézy „pre-RNA světů“ hypotézu o světě RNA neodmítají, ale modifikují ji, což předpokládá počáteční syntézu replikujících se makromolekul RNA v primárních metabolických kompartmentech nebo na povrchu asociátů, čímž tlačí „svět RNA“ do druhá fáze abiogeneze.

Akademik Ruské akademie věd A.S. Spirin se domnívá, že svět RNA se na Zemi nemohl objevit a existovat, a zvažuje možnost mimozemského (především na kometách) původu a evoluce světa RNA.

Čtení mezi řádky DNA [Druhý kód našeho života, aneb kniha, kterou si musí každý přečíst] Spork Peter

RNA svět

Když Hans Jornvall, tajemník Stockholmského Nobelova výboru, 2. října 2006 oznámil nové vítěze této ceny za medicínu, místností se rozlehlo šumění. Takové rozhodnutí čekal málokdo: vítězové byli dva aktivní vědecká létačtyřicátníci, jejichž nejdůležitější publikace vyšly o osm let dříve. Obvykle jsou oceněni více zasloužilí specialisté.

Podle většiny kolegů však Američané Andrew Fire ze Stanfordské univerzity (Kalifornie) a Craig Mello z Lékařská fakulta University of Massachusetts získala ve svém oboru nejvyšší uznání a je zasloužená. Přesto objevili zcela neznámou metodu kontroly genové aktivity – takzvanou RNA interferenci.

RNA je zkratka pro ribonukleovou kyselinu. Tak se jmenuje mladší a extrémně všestranná sestra DNA (deoxyribonukleová kyselina). Molekuly RNA jsou chemickou strukturou téměř totožné s DNA, ale sestávají z mnohem kratších řetězců nukleotidů a jsou méně odolné vůči změnám. Sloužily jako dědičný materiál prvních živých organismů na Zemi a jednoduché viry je k těmto účelům využívají dodnes.

Všechny typy RNA mají obecně jasně definované funkce a jsou nesmírně důležité pro biochemii buňky. Na rozdíl od DNA se mohou skládat nikoli ze dvou řetězců s párově spojenými bázemi, ale z jednoho řetězce s otevřenými bázemi a někdy mají tvar smyčky. Kvůli rozmanitosti molekul RNA biologové s úctou hovoří o celém světě RNA, který ještě nebyl plně prozkoumán. Nejdůležitějšími představiteli tohoto světa jsou již zmíněná matrix (informace) a transferové RNA. Objevily se také nové hvězdy – mikro-RNA.

Před objevením ohně a Mella byly ty druhé považovány za vedlejší produkt, jakousi messengerovou RNA bez informací, která vzniká při čtení proteinů mylně převádějících nějaký kus nevyžádané DNA na messengerovou RNA. Dnes je již známo, že k tomuto procesu nedochází náhodou a odpovídající úseky DNA nejsou vůbec odpadky. Spíše představují třetí důležitý systém přepínání epigenetických kódů.

Nejprve buňka syntetizuje dva zrcadlové řetězce mikroRNA, které se spojí do tzv. dvouvláknové RNA. Tyto molekuly, které připomínají krátký provazový žebřík, vypadají přesně jako dědičný materiál virů napadajících buňky, které se snaží množit biochemickým aparátem infikovaných buněk a způsobit tak onemocnění. Buňka bojuje s RNA stejným způsobem jako s viry: objeví se enzym zvaný dicer (granulátor) a rozbije je na kousky o délce od 21 do 27 nukleotidů.

Většina těchto fragmentů je buňkou zničena. Některé se ale vážou na multiproteinový RISC komplex, který je zachrání před zničením. Tyto sloučeniny jsou poté odeslány, aby nalezly vhodnou messengerovou RNA. Ten je do značné míry shodný s jedním z řetězců původní mikroRNA, a proto v něm někde určitě bude úsek spárovaný s jedním z mnoha výsledných fragmentů. Jakmile je nalezena požadovaná molekula, přilne k odpovídajícímu kousku RNA, jako ubohá moucha na suchý zip. Nakonec RISC, stále připojený k fragmentu, provede rychlé provedení - přemění messenger RNA na hromadu nukleotidového odpadu, který je okamžitě shromážděn a zpracován prázdnými transferovými RNA.

Nyní buňka nemůže syntetizovat protein kódovaný v messenger RNA. Odpovídající gen mlčí, i když je neustále čten na úrovni DNA.

Ale to není všechno. Buňka může pomocí svých mikroRNA nejen spustit nebo zastavit syntézu konkrétního proteinu, jak se to děje pomocí jiných epigenetických spínačů. Buňka může také mírně potlačit aktivitu genu. Čím více lepivých spojů umístí proti konkrétní messengerové RNA, tím méně jejích odpovídajících kódovaných molekul dosáhne cíle a tím méně konkrétního proteinu bude syntetizováno.

Craig Mello a Andrew Fire nazývají tento mechanismus genové regulace interference RNA, protože během procesu se dvě molekuly, které na sebe reagují - messenger RNA a mikro-RNA - navzájem vypnou stejným způsobem, jako se při fyzické interferenci vzájemně šíří vlny. utlumený. Výzkumníci objevili tento princip jako výsledek experimentu: vstříkli dvouvláknovou RNA do škrkavek a zjistili, že poté se syntéza určitých proteinů snížila.

O dalekosáhlých důsledcích objevu zpočátku nikdo nevěděl. To vše je pravděpodobně „nějaký druh podivný mechanismus, charakteristické pouze pro červy,“ rozhodli sami výzkumníci. S největší pravděpodobností nehraje žádnou roli v normálním životě zvířat, protože se vyskytuje pouze v rámci experimentu. Vědci se však velmi mýlili. Mnoho odborníků se vrhlo na studium tohoto efektu a během krátké doby odhalilo mnoho nových detailů.

Je zřejmé, že v dávných dobách vyvinula určitá pro-buňka mechanismus pro vzájemné odstavení ribonukleových kyselin, aby zabránila virovým genům, zachráněným před enzymem Dicer a úspěšně zavedeným do DNA, aby implementovaly své „schéma zapojení“ a způsobily onemocnění. . Zjevně o nějaký čas později přišly další buňky, aby regulovaly svůj vlastní systém čtení genů pomocí mikroRNA.

Jedním z hlavních úkolů RNA interference je deaktivace transpozonů. Jsou to ty nově sestavené, extrémně pohyblivé geny a jejich fragmenty, které se aktivují pouze v případě extrémního zhoršení vnějšího prostředí, aby pomohly evoluci dostat se z této situace.

"K dnešnímu dni bylo přesně identifikováno asi tři sta padesát mikroRNA a konečný počet bude pravděpodobně v rozmezí pěti set až tisíc," řekl německý biochemik Thomas Tuschl z Rockefellerovy univerzity Spectrum der Wissenschaft (Spectrum of Science). New York), jeden z předních výzkumníků RNA interference na světě. Tuschl mimo jiné zjistil, že spínače vyrobené z ribonukleové kyseliny se nacházejí i v lidských buňkách.

RNA interference. Genom obsahuje nejen geny, ale také kódy pro mikroRNA. Pomocí enzymů ničí odpovídající messenger RNA a blokují tak translaci genu na protein.

Dnes je již známo, že princip RNA interference funguje téměř u všech živých organismů. A nejnovější výsledky naznačují, že svět RNA je mnohem důležitější a rozmanitější, než se očekávalo. Ukázalo se, že malé RNA slouží i jako sledovače, které proteinům v okolí DNA ukazují na místa, která by měla být spolehlivě zablokována nebo přeprogramována. „Existuje důvod se domnívat, že RNA mohou působit jako kotvy pro různé proteiny, které přidávají methylové nebo acetylové skupiny k chromatinu nebo je zase odstraňují,“ vysvětluje švýcarský epigenetik Renato Paro.

Dochází k tomu, že některé fragmenty mikroRNA se vrátí zpět do buněčného jádra a stanou se skvělými organizátory epigenomu. Segmenty RNA jsou spolehlivě a přesně připojeny k určitým úsekům DNA, především k jejich zrcadlovým kopiím. Navíc tito odvážlivci za sebou tahají speciální proteiny, které vyvolávají například to, že se dědičná látka stočí do klubíčka – deaktivovaný, těsně sbalený heterochromatin. Tímto způsobem mohou na dlouhou dobu deaktivovat celé části DNA.

Thomas Tuschl věří, že mikroRNA jsou schopny více. Jsou pravděpodobně „důležitým faktorem při výskytu různých nemocí“. „Budoucím cílem“ jeho vlastního výzkumu je „mapovat mikroRNA v celém genomu, pro všechny zdravé i nemocné tkáně, a určit jejich funkce“.

Na interferenčním systému RNA pro Tuschla je obzvláště vzrušující to, že spolu s methylací DNA a histonovým kódem byla objevena třetí cesta pro vnější faktory ovlivňující genovou aktivitu. „Vyvstává otázka, zda lze většinu genetických chorob vysvětlit regulačním procesem a zda je lze nějak kontrolovat,“ říká vědec. Zní to složitě, ale výzkumník vysvětluje na příkladu: „Hypotéza zní takto: možná k dosažení malé, ale účinné změny ve vzorci aktivace genů proti depresi stačí pravidelně cvičit, stabilizovat hladinu dopaminu, protože tato látka je důležitým faktorem při léčbě deprese.“

Tento příklad nás přivádí zpět k hlavnímu poselství vědy druhého kódu: ti, kteří začnou žít novým způsobem, změní svůj metabolismus a hormonální systém. A tyto změny mají dlouhodobé účinky na metylační vzorce, modifikace histonů a mikroRNA, což zase může mít příznivé účinky na tělo a mysl. Mimochodem, skutečnost, že fyzická aktivitačasto snižuje deprese, již bylo prokázáno v mnoha vědeckých prací. Epigenetika dokáže vysvětlit takové pozitivní účinky, které nastávají v důsledku změn životního stylu.