Первые свидетельства существования РНК появились в середине XX века, когда биологи пытались понять, каким образом клетка превращает генетическую информацию в белки. Исследователи замечали быстрые изменения в синтезе белков у бактерий, например, когда менялся источник питания или клетку заражал вирус. Это указывало на существование нестабильного посредника, который переносит информацию от ДНК к рибосомам. Однако большинство известных на тот момент РНК было слишком стабильным, чтобы выполнять такую роль, и ученые долго не могли обнаружить «ускользающую» молекулу.
Гипотеза РНК-мира: могла ли жизнь на Земле начаться с одной молекулы
Если ученые пытаются заглянуть на 4 млрд лет назад, в эпоху, когда на Земле еще не было ни клеток, ни белков, ни ДНК, они сталкиваются с одним и тем же вопросом: с чего все началось? Какой была первая молекула, способная не только хранить информацию, но и копировать себя? Сегодня наиболее убедительный ответ дает гипотеза РНК-мира. Разбираемся, как она работает, вместе с нобелевским лауреатом Томасом Чеком.
Freepik
Как теория РНК-мира изменила представление обо всем.
С чего все начиналось
Франсуа Жакоб
Франсуа Жакоб
Лишь к 1960 году Франсуа Жакоб и Жак Моно, опираясь на свои исследования регуляции генов, подошли к экспериментальному подтверждению существования матричной РНК — короткоживущего посланника, переносящего инструкции для сборки белков.
Следующие десятилетия принесли целую серию открытий, расширивших представление о РНК. Ученые выяснили, что существует несколько ее ключевых типов — матричная, транспортная и рибосомная РНК, каждая из которых играет важную роль в синтезе белка.
Как РНК стала королевой молекул
Гипотезу РНК-мира впервые сформулировал биохимик Уолтер Гилберт в 1986 году. Он предположил, что на ранних этапах эволюции существовал период, когда РНК одновременно выполняла функции и генетического носителя, и катализатора химических реакций. Эта идея решала дилемму «курицы и яйца»: как могли появиться белки-ферменты, если для их синтеза уже нужен сложный молекулярный аппарат?
Уолтер Гилберт
Томас Чек
Ключевым шагом к утверждению этой гипотезы стало открытие рибозимов — РНК-молекул, которые работают как ферменты. Исследование химика Томаса Чека и его коллег в начале 1980-х показали, что участок рибосомной РНК способен вырезать себя из предшественника без участия белков. Это доказало способность РНК катализировать химические реакции.
РНК, ДНК и редкая форма ДНК
Исследования 1980-х и 1990-х годов показали, что РНК может удлинять РНК-праймеры, синтезировать комплементарные цепи и действовать как многоэлементный катализатор, а работы Дженнифер Дудны и Джека Шостака доказали, что рибозим может одновременно быть и шаблоном, и ферментом для синтеза РНК. Эти результаты очертили минимальный функциональный цикл возможной до-белковой жизни.
Задолго до динозавров
Могла ли РНК возникнуть в условиях древней Земли?
Этот вопрос не менее важен, и исследования последних лет дают обнадеживающие ответы. Синтез активированных рибонуклеотидов в условиях, близких к предполагаемым раннепланетным, был продемонстрирован в 2009 и 2019 годах. Значит, кирпичики РНК вполне могли собираться естественным путем.
Как мог бы выглядеть РНК-мир?
Почти невидимый мир в каплях воды, гидротермальных источниках или атмосферных аэрозолях: «Нам надо было бы проверить множество разных мест на Земле, дабы найти даже самые ничтожные следы жизни» — пишет Томас Чек. Он отдельно подчеркивает микроскопические размеры и уязвимость первых молекулярных систем.
Первичный мир не оставил после себя заметных следов, но мог дать старт дальнейшему биохимическому усложнению.
Гипотеза РНК-мира сегодня остается одной из ключевых в исследованиях происхождения жизни. Она не окончательна и не безупречна, но подкрепляется множественными фактами: способностью РНК хранить информацию, катализировать реакции, формировать сложные структуры и, вероятно, самопроизвольно возникать из доступных химических компонентов.
Парадоксально, но изучение далекого молекулярного прошлого привело к технологическим революциям настоящего — от мРНК-вакцин до методов генной терапии. Возможно, именно поиски первых молекул помогут нам когда-нибудь понять, как жизнь возникает не только на Земле, но и в других мирах.
По материалам книги Томаса Чека «Первая молекула» («Альпина нон-фикшн»).