Сторонники гипотезы РНК-мира считают, что на начальном этапе зарождения жизни на нашей планете возникли автономные РНК-системы, которые катализировали «метаболические» реакции (например, синтеза новых рибонуклеотидов) и самовоспроизводились. Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле были представлены РНК-молекулами, способными к самовоспроизведению без участия белковых ферментов.
Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки. Результаты исследования, которое фактически доказывает гипотезу существования РНК-мира, опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул. Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами (рибозимами). Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. В рамках своего проекта ученые поставили под сомнение достоверность гипотезы РНК-мира.
Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле
Чтобы понять, как эта функция сохранилась в процессе эволюции, исследователи разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК. В результате образовывались короткие цепочки, которые действовали как затравки для синтеза более длинных молекул. Этот механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера. Во второй модели к пулу РНК-цепочек, способных к спонтанному образованию рибозим, были добавлены ферменты, катализировавшие расщепление.
Главный вопрос, на который предстояло ответить — как пурины, аденозин и гуанозин, которые превращают РНК в сложный комплекс, могли возникнуть из так называемых дожизненных молекул. Цепочку химических реакций, приведших к такому результату, и описали немецкие ученые. Они, вероятно, были занесены на раннюю Землю кометами.
Из них уже сформировались простые аминопиримидины, которые вступили в реакцию с муравьиной кислотой и образовали амидопиримидины.
Белки - те же цепи, что и РНК, только не свернутые и состоящие из "немного" других звеньев. Не пойму почему тогда они должны быть первичными по отношению к белкам? Чем белки хуже? По идее предположительная репликация белков по аналогии с репликацией РНК должна идти более быстро и эффективно, чем репликация РНК если сравниваемые белки и их предположительные функциональные РНК - аналоги ещё относительно малы. Потому, что РНК ещё нужно развернуть, что требует времени а потом - свернуть. Белки же лишены этих недостатков.
И пока количество хранимой информации было относительно мало короткие белки почему бы белкам нельзя было одержать вверх над РНК, если предположить, что белки могли тоже как и РНК размножаться по репликационному принципу грубо говоря, примерно, так, как это происходит у прионов? А уж потом, когда белки "выросли" по мере эволюционного накопления информации увеличилось негативное влияние шума при их репликации и возникла потребность более надежного хранения информации. Что, в принципе, можно достичь свертыванием в цепь.
Ученые предполагают, что древние полимеры могли использовать такие циклы для размножения, возможно, полагаясь на неорганические поверхности, например, камни, в этом процессе. Эти новые данные открывают дополнительные перспективы для понимания исходных этапов эволюции жизни на Земле.
Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. Ученые многие годы ищут ответ на вопрос, могут ли РНК быть предшественниками жизни в известном нам виде. Исследование специалистов из США преподносит новые доказательства в поддержку гипотезы «РНК-мира» — существования жизни до появления белков и ДНК, в виде рибонуклеиновых кислот. Им удалось получить в лаборатории особую молекулу РНК, запускающую воспроизводство других РНК и появление у них мутаций.
Авторы описывают фермент РНК, способный создавать точные копии других функциональных нитей РНК, позволяя со временем возникать новым вариантам этой молекулы. Это значит, что самые ранние формы эволюции могли возникнуть на молекулярном уровне в РНК.
Причем этот механизм достаточно древний — он есть у растений и даже, судя по всему, у одноклеточных, по крайней мере микроРНК у некоторых из них уже обнаружили.
Итак, мы знаем, что РНК сама по себе крайне загадочна — она может и хранить информацию, и катализировать реакции, и буквально держать саму ДНК на поводке. Но как, если вокруг нет ничего, хотя бы отдаленно напоминающего нуклеиновые кислоты? Идея о том, что РНК может просто так взять и появиться буквально из ниоткуда, казалась смехотворной — однако была доказана лабораторно.
Для этого группа ученых под руководством Джона Сазерленда взяла не самые приятные вещи — сероводород и цианистый калий. Немного подержав их под ультрафиолетом, они получили… протонуклеотиды , маленькие кирпичики для создания нуклеиновых кислот. Более того, Сазерленд обнаружил возможность «самозарождения» некоторых аминокислот Пастеру бы этот вывод вряд ли понравился.
Такая гипотеза возникновения РНК выглядит крайне привлекательной, хотя бы потому, что на свежесформированной планете, которая постоянно менялась и сталкивалась то с извержениями вулканов, то с метеоритами а они содержат довольно много цианида , этих трех ингредиентов было предостаточно. А еще в метеоритах была найдена рибоза, углевод, входящий в состав РНК при этом дезоксирибозы, входящей в состав ДНК, в них так и не обнаружили , — соответственно, и она могла быть занесена извне. Но возникает следующий вопрос: допустим, в мире появилась РНК и первые аминокислоты — как перейти от этого супового набора к созданию чего-то более значимого?
Молодой, ему всего 39 лет, профессор Карл Вёзе занимается делом всей своей жизни — молекулярной эволюцией. В какой-то момент Вёзе заметил, что маленькие РНК, участвующие в создании рибосом «машин» по сборке белка на основе генетического кода , — очень удобный материал для изучения мутаций и изменений, возникающих от вида к виду. Это своеобразные хронометры, и Вёзе решил прибегнуть к ним для изучения филогенетических, то есть эволюционных, деревьев.
Вообще-то Вёзе хотел опровергнуть довлеющую теорию о том, что археи суть изменившиеся бактерии. Он считал, что всё живое можно разделить на три независимых домена — археи, бактерии и животные — и что археи не просто «странные бактерии», а целое отдельное царство, развивающееся по собственному пути. В конце концов, ему это удалось, но параллельно с открытием доменной структуры жизни Вёзе, всю жизнь изучавший РНК, пришел к неожиданному выводу.
Вёзе писал: «Мои эволюционные интересы были сосредоточены в первую очередь на бактериях и археях, эволюция которых охватывает большую часть истории планеты. Используя последовательность рибосомной РНК в качестве единицы измерения эволюции, мы реконструировали филогенетическое древо обеих групп и, таким образом, предоставили обоснованную систему классификации безъядерных организмов. Открытие архей фактически было продуктом этих исследований».
Источник: On the evolution of cells И вот накопленные знания об РНК, ее свойствах и способности изменяться наталкивают Вёзе на мысль, что именно РНК была тем «посредником» между миром неорганических молекул и жизнью. В этом ему сильно помогает открытие у РНК способности к катализу — то, что раньше считалось только белковой привилегией, оказывается вовсе не редкостью для маленьких нуклеиновых кислот. Вёзе приходит к идее РНК-мира — всё началось с РНК, которая самокопировалась в воде и в какой-то момент начала самостоятельно создавать пептиды небольшие белки.
Но тогда это была всего лишь гипотеза. Обрастать плотью доказательств гипотеза стала позже, с приходом на мировую научную арену новых молекулярных биологов, в частности Уолтера Гилберта. Он занимался разработкой методов секвенирования — расшифровки нуклеотидной последовательности и за это в 1980 году получил Нобелевскую премию вместе с Полом Бергом.
Но, как любой крупный ученый, Гилберт интересовался многим и в 1986 году опубликовал статью, развивающую идеи Вёзе, — « Происхождение жизни. РНК-мир ».
ДНК и РНК две основные современные формы генетического кода, лежащие в основе всей земной биологии, могли сосуществовать на нашей планете еще до того, как здесь возникла жизнь, предполагает группа ученых из Англии, Шотландии и Польши. Исследование опубликованно в журнале Nature , кратко о нем пишет Scientific American. Используя химическую систему на основе цианистого водорода, имитирующую среду ранней стадии развития Земли, исследователи создали четыре основания, своего рода «буквы» генетического алфавита.
Соединенные вместе они образуют последовательности генов, которые клетки переводят в белки.
Команда Джеральда Джойса, президента Института им. Однако все попытки получить в лаборатории версии, способные реплицировать крупные молекулы, оборачивались неудачей — они не обладали достаточной точностью. За многие поколения они накопили так много ошибок, что не походили на изначальные последовательности и полностью потеряли свою функциональность. Однако разработанная недавно в лаборатории Института Солка рибозома оказалась иной — она содержала ряд важных мутаций, позволяющих копировать последовательность РНК с куда большей точностью. Испытания показали, что полученная рибозома не только повторяет функции оригинальной, но и со временем у нее возникают новые вариации. Благодаря новым мутациям им стало легче реплицироваться, то есть они приобрели эволюционное преимущество. Нечто на уровне отдельных молекул могло поддержать дарвиновскую эволюцию, это могла быть какая-то искра, которая позволила жизни стать более сложной и развиться от молекул до клеток и многоклеточных организмов». Иногда, чтобы восстановиться после повреждений, молекулам РНК требуется химическая модификация.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena, которая способна к автосплайсингу. Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». В основном потому, что гипотеза мира РНК подкрепляется большим числом экспериментальных свидетельств, чем набрали её конкуренты. Биохимик Р. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка.
ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул
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. Впоследствии эту идеи развили другие ученые. Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение. Ученые многие годы ищут ответ на вопрос, могут ли РНК быть предшественниками жизни в известном нам виде.
Фактически, он утверждал, что этот эксперимент не показал, что нуклеиновые кислоты были основой происхождения жизни, а просто показал, что эта гипотеза не была неправдоподобной. Кэрнс-Смит утверждал, что для того, чтобы достичь количества молекул, необходимого для возникновения жизни, процесс построения нуклеиновых кислот должен соблюдать 18 автономных условий между ними в течение нескольких миллионов лет.
Мир РНК в деталях Механизмы синтеза пребиотической РНК Гипотеза предполагает наличие в первичном бульоне нуклеотидов, способных легко образовывать химические связи между собой и с такой же вероятностью разрывать эти связи благодаря малой энергии, необходимой для таких событий. В этой среде некоторые последовательности оснований, обладающие каталитическими свойствами, могли бы усиливать образование последовательностей с идентичными характеристиками именно благодаря каталитической активности, способной снижать энергию, необходимую для образования таких последовательностей. Главным последствием образования этих последовательностей было бы то, что производство нитей РНК стало бы явно более выгодным, чем их разрыв. Эти последовательности считаются самыми ранними, примитивными формами жизни. Только наиболее эффективные с точки зрения катализа и самовоспроизведения выжили бы, чтобы развиться и сформировать современную РНК. Конкуренция между РНК, возможно, способствовала возникновению кооперации между различными цепями, тем самым прокладывая путь для первых протоклеток. В пределах этого набора РНК некоторые, возможно, развили способность катализировать образование пептидной связи с эволюционно выгодным последствием способности генерировать вспомогательные пептиды для каталитической активности рибозимов.
Точно так же все другие химические молекулы, которые характеризуют его сегодня, такие как ДНК, липиды или углеводы , также могли быть вовлечены в процесс формирования жизни. Другие предположения Существует другая версия гипотезы, называемая гипотезой преРНК-мира. Согласно этой теории, до РНК существовала другая нуклеиновая кислота. Среди предложенных есть, прежде всего, ПНК , более стабильная, чем РНК, и более легкая для синтеза в пребиотических условиях в которых образование рибозы и присоединение фосфатных групп, отсутствующих в ПНК, определенно проблематично. Он предположил, что последним общим предком среди трех доменов мог быть РНК-вирус. Некоторые вирусы позже примут ДНК, гораздо менее подверженные внешним повреждениям, и начнут заражать организмы, принадлежащие к трем доменам, этой нуклеиновой кислотой, что также позволит их эволюции. На протяжении большей части двадцатого века научное сообщество считало жизнь комбинацией ДНК и белков , считало две доминирующие макромолекулы, низводя РНК до статуса простой вспомогательной молекулы.
Вместо этого эта гипотеза помещает РНК в центр происхождения жизни.
Исследователи предложили возможный путь, по которому набор пребиотических олигомеров коротких полимерных цепочек , несущих информацию, мог приобрести ранние каталитические функции, такие как специфическое расщепление. Используя компьютерное моделирование на основе структуры фермента РНК, они показали, что даже спонтанное, неферментативное расщепление может способствовать размножению олигомеров за счет образования коротких фрагментов, выступающих в роли затравок для дальнейшего роста. Естественный отбор мог способствовать развитию каталитической эффективности этих молекул.
Что приближает задачу объяснения происхождения жизни. Но, по-моему, гипотеза РНК-мира имеет существенный выше описанный недостаток. Интересно, кто-нибудь это осознаёт? Или я в чем-то не прав? Однако это все же не исключает того, что белки были первичными. Потому, что, например, РНК-клетки и белковые клетки могли возникнуть независимо, но сначала возникли белковые «клетки» как более «простые» и эффективные. И лишь потом РНК-клетки когда возникла потребность в достаточно хорошей защите от шума при репликации как их конкуренты. В дальнейшем же мог возникнуть симбиоз упомянутых двух типов клеток нечто подобно тому, как возникли эвкариоты. Кто что думает?
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Мир РНК — это красивая гипотеза о самозарождении жизни, и вчера ее доказательство стало на шаг ближе. Это предположение называется гипотезой РНК-мира и пользуется поддержкой среди современных учёных. В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы. Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
Копирование других молекул РНК Прежде всего, рибонуклеиновая кислота РНК - это биологическая молекула, молекулярная структура которой очень похожа на структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты ДНК. Она состоит из одной спиральной цепи, по структуре схожей с одной из двух цепей, составляющих ДНК. По словам авторов исследования, этот прорыв, опубликованный в журнале PNAS 4 марта 2024 года, является выдающимся. Однако стоит отметить, что молекула не является самовоспроизводящейся, как настоящая. Поэтому ее нельзя считать живой.
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. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала.
После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка. Взамен гипотезы «вначале была РНК», он предлагает гипотезу «вначале был метаболизм», то есть возникновение комплексов химических реакций — аналогов метаболических циклов — с участием низкомолекулярных соединений, протекающих внутри компартментов — пространственно ограниченных самопроизвольно образовавшимися мембранами или иными границами раздела фаз — областей. Эта концепция близка к коацерватной гипотезе абиогенеза, предложенной А.
Исследователи обнаружили, что рибозим, способный расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно, так как его функционирование требует всего нескольких классических компонентов. Однако оставалась проблема - как именно это свойство сохранилось в процессе биохимической эволюции.
Чтобы прояснить этот вопрос, ученые разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. Эксперимент показал, что из таких разрывов возникали короткие цепочки РНК, действующие как праймеры для синтеза более длинных цепей РНК.
Этот механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, похожего на регенерацию червей. В другой модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, добавлялись к пулу полимерных цепей, которые затем разрезались при столкновении.
Полимеры могли спариваться и образовывать молекулы типа рибозима, способные к саморасщеплению. Этот процесс приводил к самовоспроизводству энзимов. Репликация полимера происходила за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что поддерживало процесс размножения. Возможно, древние полимеры зависели от таких циклов для своего размножения.
Найдено подтверждение гипотезы «РНК-мира»
Процесс не обошелся без инопланетного вмешательства — нужные молекулы были занесены на Землю кометами. Статья опубликована в журнале Science, о деталях исследования также сообщается на сайте издания. Главный вопрос, на который предстояло ответить — как пурины, аденозин и гуанозин, которые превращают РНК в сложный комплекс, могли возникнуть из так называемых дожизненных молекул. Цепочку химических реакций, приведших к такому результату, и описали немецкие ученые.
Долгое время оставался вопрос о том, каким образом это свойство сохранялось в процессе биохимической эволюции.
Путем разработки моделей исследователи выяснили, что случайные разрывы в простых молекулах РНК приводили к образованию коротких цепочек, действующих как праймеры для синтеза более длинных полимеров РНК. Такой неферментативный механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, аналогично регенерации червей, разрезанных на сегменты. Вторая модель предполагала добавление рибозимов, способных к спонтанному образованию и катализированию расщепления, к пулу полимерных РНК-цепочек, которые разрезались при столкновении.
Долгое время оставался вопрос о том, каким образом это свойство сохранялось в процессе биохимической эволюции. Путем разработки моделей исследователи выяснили, что случайные разрывы в простых молекулах РНК приводили к образованию коротких цепочек, действующих как праймеры для синтеза более длинных полимеров РНК. Такой неферментативный механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, аналогично регенерации червей, разрезанных на сегменты. Вторая модель предполагала добавление рибозимов, способных к спонтанному образованию и катализированию расщепления, к пулу полимерных РНК-цепочек, которые разрезались при столкновении.
Со временем этот тип нуклеиновых кислот стал однородным. Некоторые из них были рибозимами — соединениями, обладающими ферментативной активностью и обеспечившими последующий катализ ДНК.