Біохіміки створили рибозим — молекулу РНК, яка може самостійно виправляти поломки в РНК, подібно до того, як у сучасних клітинах цю функцію виконують спеціалізовані білки, звані ферментами або ензимами. Цей рибозим знаходив пошкоджені ділянки РНК за специфічними послідовностями, що може також знайти застосування в біотехнологіях. Однак в першу чергу він цікавить науковців тому, що такі рибозими могли посприяти зародженню життя на Землі, дозволяючи РНК одночасно нести генетичну інформацію та втілювати її. Дослідження опублікували в журналі Nature Communications.
Як РНК пов’язана з зародженням життя?
Теорія «первинного бульйону», яка є одним із найбільш поширених та обґрунтованих пояснень походження життя на Землі, передбачає, що перші живі організми виникли з простих неорганічних молекул, які об’єдналися в складніші органічні. Але у сучасних організмів передача генетичної інформації йде від ДНК до РНК і білків, а забезпечують її ферменти. Для виникнення та відточення такої системи знадобилися мільйони років, тож дослідники припускають, що в первісних земних організмів цей процес відбувався простіше.
Найімовірнішим кандидатом у молекули, на основі яких утворилося первинне життя, вважають РНК. На відміну від ДНК, ця молекула може утворювати рибозими — молекули з подібною на білки-ферменти дією, а також залучені в синтезі білка в сучасних організмах — як основа рибосом і транспортна молекула, що приєднує амінокислоти до послідовності білка. Водночас, на відміну від білків, РНК менше піддається змінам під впливом довкілля, тож може надійніше зберігати генетичну інформацію. Однак досі було невідомо, як РНК у примітивних організмах виправляла б пошкодження, якби вони все ж виникали. Щоб це з’ясувати, американські науковці на чолі з фахівчинею Університету Нотр-Дам Аннєшею Бісвас і нобелівським лауреатом Джеком Шостаком провели нове дослідження.
Як працюють нововідкриті рибозими?
Науковці проводили експерименти зі штучної еволюції РНК у пошуках рибозимів, які могли б з’єднувати 3′- і 5′-кінці цієї молекули так, як це відбувається в клітинах. Натомість вони виявили рибозим, який пришвидшував реакцію з’єднання свого 5′-кінця з 2′-кінцем іншої РНК, але лише якщо на ньому була гідроксильна група, якою зазвичай закінчується послідовність РНК, поруч із 3′-кінцевою фосфатною групою, яка є маркером пошкодження цієї молекули.
При цьому з експериментів дослідники отримали близько 60 відсотків цього нового рибозиму та лише 30 відсотків того, який хотіли отримати. Провівши різні модифікації РНК, науковці встановили, що цей рибозим зв’язувався з молекулами саме тоді, коли вони мали 3′-кінцеву фосфатну групу або закінчувалися циклічною фосфатною групою. Також з’ясувалося, що ключовими для роботи цього рибозиму є іони магнію, які, імовірно, допомагають йому та РНК-субстрату зайняти таке положення в просторі, яке пришвидшує реакцію в 100 тисяч разів. Цей метал часто є в активному центрі й білкових ферментів.
Як це відкриття змінює уявлення про раннє життя та допоможе в медицині?
Дослідники припускають, що у ранніх клітинах такі рибозими могли склеювати пошкодження РНК, розпізнаючи розриви за 3′-кінцевою фосфатною групою та створюючи нові 2’-5’ зв’язки, які не зустрічаються в сучасних молекулах РНК, але й не шкодять її функціям. Це свідчить на користь того, що в ранніх живих організмів РНК могла самостійно керувати всіма процесами — як обміном речовин через свою здатність пришвидшувати хімічні реакції, так і реплікацією, тобто відтворенням генетичного матеріалу.
Водночас науковці підкреслюють користь відкритого ними рибозиму й для біотехнологій та медицини. Багато хвороб, зокрема вірусні інфекції та деякі види раку, призводять до вироблення в клітинах патологічних РНК. Сучасні системи націлені здебільшого на виявлення мутацій у ДНК, а не РНК, тому рибозими, здатні розпізнавати послідовності РНК з певними характеристиками, допоможуть виявляти такі патологічні РНК.
Що знають про зародження життя на Землі
☄️ Хоча науковці схиляються до утворення перших органічних молекул на Землі, сліди основ ДНК і РНК знаходили й на астероїдах Рюґу та Бенну, тож подібні тіла могли занести їх на нашу планету.
🧪 Нещодавно хімікам вдалося в лабораторії відтворити процес приєднання амінокислот до РНК — так могли з’явитися перші білки.
⚡️ Пришвидшувати хімічні реакції між неорганічними молекулами для формування органічних могли мікроблискавки, які були в атмосфері ранньої Землі.
🤯 А перші клітини в «первинному бульйоні» могли не сформуватися, якби в середовищі не було кремнію — з нього формувалися сфери, у яких прискорено йшли хімічні реакції.