Что было более значимым на заре жизни: белки или нуклеиновые кислоты? Белки, возможно, имели стратегическое преимущество, при условии долговременного становления, когда они превратились в самовоспроизводящиеся катализаторы и фактически запустили процесс биохимической эволюции.

Проблема заключается в том, что теория «РНК—мира», о которой мы писали ранее, с трудом поясняет, как появилась жизнь на Земле. РНК сама по себе – это точка отсчета, но не первоначальный фактор эволюции, что порождает спекуляции в среде макробиологов. Однако если на время забыть о нуклеиновых кислотах (как при решении математических уравнений с двумя и более неизвестными), тогда потребуется модель, которая описывает, каким образом ранние биополимеры на протяжении долгого времени свернулись в полезные формы и тем самым предрекли себя на саморазвитие. На практике это означает восстановление представления о простейших белках как оригинальной самовоспроизводящихся биомолекулах.

Для макробиологов, постоянно решающих вопрос о курице или яйце, остается непонятным, что заставило основные химические строительные блоки примерно четыре миллиарда лет назад создать более длинные полимеры, выполняющие функции хранения сначала биологической, а затем уже генной информации, а также катализации химических реакций. На протяжении большей части биоистории нуклеиновые кислоты обрабатывали получаемую извне информацию, тем самым совершенствуя белковые структуры. Вместе с тем именно ДНК и РНК несут инструкции для получения белков, а белки извлекают и копируют эти инструкции в виде ДНК или РНК. Процесс взаимообратим. Но что из них могло бы первоначально обработать все данные самостоятельно?

В течение многих десятилетий предпочтительным кандидатом на роль «перводвигателя» была РНК – особенно после открытия 1980-х годов, когда стало ясно, что РНК также может сворачивать и катализировать реакции, как это делают белки. Позднее теоретические и экспериментальные данные еще более укрепили гипотезу «РНК-мира», согласно которой именно РНК породила то, что называется жизнью.

Но РНК достаточно сложна для ранних этапов природной биохимии, поэтому некоторые эксперты скептически относятся к предположению, что данный вид нуклеиновых кислот спонтанно возник в суровых условиях предбиотического мира. Кроме того, непонятно, каким образом молекулы РНК и белки получили форму удлиненных сложенных цепочек, а ранняя среда («биохимический суп», как принято обозначать это явление) не предотвратила образование нуклеиновых и аминокислот. Условия были жесточайшие, но тем не менее каким-то образом сработала первая реакция и первые же молекулы не просто прижились, но и саморазвивались именно в тех условиях.

Кен Дилл

Кен Дилл из Университета Стоуни Брук в Нью-Йорке вместе с Рональдом Цукерманом из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии недавно представили возможное решение данной головоломки. Статья была напечатана в PNAS этим летом. Дилл разработал свою модель еще в 1985 году, но тогда первоначальная версия теории касалась «проблемы сгибания белка»: как последовательность аминокислот в протенинах диктует воспроизводство сложных структуру? Его гидрофобополярная протеин-сложная модель рассматривает 20 аминокислот в качестве двух типов субъединиц, подобных различным цветным бусинам на ожерелье: синие бусы (полярные мономеры) и красные (неполярные мономеры). Модель поясняет последовательное сгибание таких бусиновых цепочек в вершинах двумерной решетки, будто бы раскладывая их на квадраты шахматной доски. Каждый такой квадрат со временем заполняется красными гидрофобными бусинками, и в этом смысле «бегство от воды» предрекло появление жизни.

Далее потребовалось целое десятилетие, чтобы ответить на вопрос о происхождении энергии, требуемой для сгибания белковых последовательностей. Дилл полагал, что создаваемая им модель воспроизведет мир ранней Земли, – а заодно и поясняет переход от пребиотической химии к биологии.

Ответ, по его мнению, кроется в сложных полимерах. Сначала появился один набор гидрофобных и полярных мономеров: полный ассортимент всех возможных красно-синих ожерелий длиной до 25 бусин. Только 2,3 процента этих последовательностей сворачиваются в компактные структуры. И только 12,7 процента из них – всего 0,3 процента от первоначального набора – складываются в конформации, которые, в конечном счете, могут оказаться предвестником жизни.

Такие конформации могут послужить посадочной площадкой для гидрофобных разделов последовательностей. Если одновременно появляется одна красный шарик и соответствующая цепочка последовательностей, то возникающая термодинамика благоприятствует двум соединяющимся последовательностям. Другими словами, конформация действует как катализатор для удлинения полимеров, ускоряя реакции в десятки раз.

Автокаталитическое оригами

Большинство из этих удлиненных полимеров просто продолжают двигаться. Некоторые из них формируют узлы, а некоторые даже имеют собственный оригинальный катализатор. Сложенные молекулы с посадочными площадками не только продолжают формировать длинные полимеры все в большем и большем количестве, но также составляют то, что называется автокаталитическим набором, в котором исходники либо прямо, либо косвенно катализируют формирование своих копий. Иногда два или более узелка участвуют во взаимном катализе, усиливая реакции, которые формируют друг друга. Хотя такие множества встречаются редко, количество возникающих молекул растет экспоненциально и трансформируется в пребиотический суп.

«Это похоже на создание лесного пожара», – шутит Дилл. – «В этом вся магия: способность небольшого события использовать самые большие события».

Что необходимо для поджога этого процесса, – отдельные последовательности гидрофобных и полярных компонентов.

«Это ставит под сомнение видение происхождения жизни, основанного на гипотезе «РНК-мира», – уверен Эндрю Похорилл, директор Центра вычислительной астробиологии и фундаментальной биологии NASA.

Эндрю Похорилл

Для него и некоторых других ученых белки кажутся «более естественной отправной точкой», потому что их проще сделать, чем нуклеиновые кислоты. Похорилл утверждает, что система хранения информации, обнаруженная в самых ранних рудиментах жизни, была бы менее развита, если бы базировалась исключительно на примате нуклеиновой кислоты.

Эта плодородная среда, богатая информацией, могла бы стать более привлекательной для появления РНК. Поскольку РНК жизнеспособна при автокатализе, в долгосрочной перспективе это оборачивается созданием более сложного генетического материала. Иначе говоря, речь идет о косвенном подтверждении теории расширенного эволюционного синтеза.

Поиск доказательств с помощью пептоидов

Конечно, ключ ко всему этому заключается в реальных экспериментах.

«Все, что происходит от 2,5 до 3 миллиардов лет назад – это спекуляция», – в свою очередь, говорит Эрих Борнберг-Бауэр, профессор молекулярной эволюции в Университете Вестфалис Вильгельмс Мюнстер в Германии.Он описывает работу Дилла как «действительное доказательство концепции». Модель все еще нуждается в проверке на примере других экспериментальных исследований, что должно привести в к падению «гипотезы РНК».

Вот почему Цукерманн, один из соавторов Дилла в издании PNAS, начал работу над проектом, который, как он надеется, подтвердит гипотезу коллеги.

Двадцать пять лет назад, примерно в то время, когда Дилл предлагал свою модель отречения от “РНК-мира”, Цукерманн разрабатывал синтетический метод создания искусственных полимеров, называемых пептоидами. Он использовал небиологические молекулы для создания белково-имитирующих материалов. Теперь он использует пептоиды для проверки исходной гипотезы, исследуя, как сбрасываются последовательности и будут ли они эффективными катализаторами. В ходе эксперимента Цукерманн сказал, что он и его коллеги будут тестировать тысячи последовательностей.

Что наверняка окажется крайне затруднительным. Модель Дилла, по мнению Цукерманна, очень упрощена и не учитывает многие сложные молекулярные детали и химические взаимодействия, которые характеризуют реальную жизнь.

«Это означает, что мы столкнемся с реалиями атомного уровня, которые модель не способна предвидеть», – говорит ученый.

Одна из таких реалий может заключаться в том, что пара групп молекул будет собираться вместо того, чтобы катализировать производство друг друга. Скептики гипотезы Дилла опасаются, что гидрофобные образования намного легче взаимодействуют друг с другом, а не с другими полимерными цепочками. Но, по словам Похорилла, потенциал агрегации автоматически не означает, что Дилл ошибается в определении начала автокатализа.

Впрочем, никто не отрицает академическое господство РНК-теории. Тем не менее, Дилл и Цукерманн с оптимизмом смотрят на результат дальнейших исследований. Теперь приоритетная задача состоит в определении условий появления устойчивого генетического кода. А здесь уже появляется еще одна проблема – как белки, нуклеиновые и аминокислоты образовали впоследствии то, что мы называем «живым организмом».