Земні білки виникли просто

Для синтезу найперших білкових молекул на Землі не було потрібно ніяких екстремальних умов.

Одна з головних реакцій у всіх клітинах: білок з класу РНК-полімерази робить РНК-копію на ДНК-шаблоні (РНК і ДНК показані спіральними нитками в центрі білкової молекули). (Ілюстрація: NIH Image Gallery / Flickr.com .) Фрагмент молекули РНК, різними кольорами позначені різні атоми. (Ілюстрація: Zappys Technology Solutions / Flickr.com .)

<

>

Зародження життя на Землі зазвичай асоціюється з якимись надзвичайними катаклізмами. Справа в тому, що біологічні молекули влаштовані складно, а хімічні сполуки в «дожиттєвих» часи були досить простими. У лабораторних умовах «зліпити» біологічні молекули з простих компонентів - завдання не з легких, і довгий час вважалося, що подібні реакції вимагали величезної кількості енергії і могли протікати лише у виняткових умовах - за допомогою сильного УФ-випромінювання, на тлі блискучих блискавок і палаючих вулканів.

Але хто сказав, що складні біологічні молекули насправді утворилися за один прийом? Ймовірно, на ділі все відбувалося в кілька етапів і з безліччю проміжних речовин, які, в свою чергу, допомагали процесу «жизнестроительства» просуватися далі, аж до появи біомолекули. Такої точки зору дотримуються дослідники з Технологічного інституту Джорджії , Які запропонували сценарій виникнення перших білків на нашій планеті.

На думку Джея Форсайта (Jay Forsythe) і його колег, все почалося з депсіпептідов - белковоподобних молекул, що містять в своєму складі, крім амінокислот, ще й гідроксикислоти. Так називають структурні аналоги амінокислот, які часто знаходять на метеоритах і в яких не бракувало ні тоді, ні зараз. (Наприклад, до гідроксикислота відносять лимонну, молочну та яблучну кислоти.) Гідроксикислоти набагато легше зв'язуються з амінокислотами, ніж амінокислоти - між собою. З іншого боку, їх зв'язку з амінокислотами дуже легко руйнуються водою, тоді як зв'язку амінокислот один з одним у водних розчинах дуже стійкі.

Якщо уявити, що депсіпептіди то «висихають», то знову потрапляють у воду, гідроксикислоти з них будуть вимиватися, а в місця, що звільняються будуть вбудовуватися амінокислоти з «водостійкими» зв'язками, і через якийсь час депсіпептіди складатимуться вже тільки з одних амінокислот. Варто підкреслити, що самі по собі, без посередництва гидроксикислот, амінокислоти при звичайних умовах з'єднуватися не стали б, особливо в такі великі структури.

Це не просто абстрактна гіпотеза - перетворення депсіпептідов в білки дослідники спостерігали в лабораторному експерименті. Більш того, виявилося, що у такий спосіб можна отримати молекули самого різного будови, а де є різноманітність, там є і еволюційний відбір. У природних умовах така реакція могла відбуватися десь в прибережній зоні дрібних, насичених органічними речовинами водойм, на каменях, куди депсіпептіди приносило хвилями і де вони висихали на сонці, а потім з бризками і дощем знову «сповзали» назад - і так багато разів поспіль. Повністю результати досліджень опубліковані в Proceedings of the National Academy of Sciences .

Як нові результати співвідносяться із загальними уявленнями про появу життя, які побутують в сучасній науці? Ні для кого не секрет, що амінокислоти у нас в клітинах ніколи не збираються в білки самі по собі. Для збірки білків існує спеціальна молекулярна машина, яка приєднує амінокислоти в строго визначеної послідовності, прописаної в геномі. Тому довгий час все дивувалися, як на етапі зародження життя білок міг з'явитися раніше, ніж нуклеїнова кислота, якщо інформація про його структуру закодована саме в ній? Залишалося тільки допустити, що так було не завжди. З'явилася гіпотеза, що «на зорі часів» білки нічим не кодувалися і виникали в результаті самозборки.

Такий «початковий біосинтез» спробували здійснити в лабораторних умовах, намагаючись зімітувати умови, в яких хімічні сполуки перебували на планеті мільярди років тому: через реакційні суміші пропускали електричні розряди, розігрівали їх до аномальних за сучасними мірками температур тощо. Щось в результаті виходило , але виходило погано: до таких витончених експериментів, як з депсіпептідамі, було ще далеко.
Інша проблема з білкової гіпотезою стосувалася спадковості. Якщо амінокислоти в білку шикуються щоразу в випадкову послідовність, і послідовність ця ніде не кодується (по білкової гіпотезі, нуклеїнових кислот ще немає), то структуру конкретного білка просто неможливо повторити - не може з'явитися другого покоління молекул, які повторювали б «предків».

Але для того, щоб вийшла найпримітивніша клітина з найпримітивніших обміном речовин, потрібно мати на руках досить значний комплект білків. Імовірність того, що вони все могли б вийти одночасно, зникаюче мала. Таке могло б статися, якби інформація про них зберігалася довгий час, тоді ті, хто з'явився раніше, відтворюючи себе в наступних поколіннях, могли б дочекатися інших. Але копіювати самі себе білки не можуть, а сторонніх носіїв інформації тоді, повторимо, ще не було.
Рішення проблеми з передачею спадкової інформації з'явилося з відкриттям у нуклеїнових кислот виключно важливих властивостей. Клітини синтезують і РНК, і ДНК за допомогою ферментів - білків, які полегшують реакцію приєднання нуклеотидів (складових частин нуклеїнових кислот) один до одного.

Ферментативні властивості довгий час вважалися унікальними для білків, але в 1970-ті їх раптом виявили і у деяких різновидів рибонуклеїнової кислоти. Виявилося, що деякі РНК здатні каталізувати приєднання нуклеотидів - тобто РНК синтезувала РНК. І, що важливо, при синтезі нуклеїнова кислота відтворювала власну нуклеотидів послідовність. Іншими словами, можна уявити собі стародавній світ біомолекул, які передають інформацію про самих себе з покоління в покоління, тільки біомолекули ці - НЕ білки, а РНК. З'явилася гіпотеза «світу РНК», яка залишається загальноприйнятою і до цього дня.
Копіюючи самих себе, нуклеїнові кислоти неминуче допускали помилки, так що «нащадки» виходили, хоч в цілому і схожими на «батьків», але все-таки з відмінностями. Під впливом умов середовища з таких різноманітних нащадків перевага отримували лише деякі - наприклад, ті, які копіювали себе швидше за інших.

Надалі виявилося, що швидше за все справа йде з допомогою інших молекул - наприклад, білків, так що в підсумку в еволюційної гонці вперед вирвалися ті, хто навчився симбіозу з білками. У міру розвитку нуклеїново-білкових «відносин» виник генетичний код, коли нуклеїнові кислоти навчилися кодувати амінокислотну послідовність своїх «напарників», а РНК поступилася місцем ДНК як головної спадкової молекулі .
У гіпотезі «світу РНК» все ще багато умоглядних припущень, однак тут поступово з'являються нові дослідження, що дозволяють цілком задовільно проілюструвати деякі темні місця - так, експерименти з депсіпептідамі показують, що у стародавніх нуклеїнових кислот міг бути широкий вибір в сенсі білкових молекул для співпраці.

Ну а що стосується самого вихідної сировини, з якого повинні були вийти біомолекули, то з цим, як тепер відомо, проблем не було - всі необхідні будівельні сполуки легко могли з'явитися в земній «первинному супі».