Революционный эксперимент показывает, как РНК и аминокислоты могли соединиться, чтобы сделать первые шаги на пути к жизни. (Концепт художника.) Источник: SciTechDaily.com
Учёные воссоздали важнейший этап, который, возможно, привёл к зарождению жизни
почти четыре миллиарда лет назад.
Показав, как аминокислоты, строительные блоки белков, могли спонтанно соединяться с РНК в условиях ранней Земли, исследователи выявили потенциальное недостающее звено
в происхождении жизни.
Происхождение строительных блоков жизни
Исследователи из Университетского колледжа Лондона выяснили, как два важнейших компонента жизни — РНК (рибонуклеиновая кислота) и аминокислоты — могли
естественным образом соединиться около четырёх миллиардов лет назад, на заре жизни.
Аминокислоты — это основные компоненты белков, которые являются двигателями жизни
и обеспечивают практически все биологические функции. Однако белки не могут копировать сами себя или генерировать инструкции для собственного производства. Эти инструкции поступают от РНК — молекулы, тесно связанной с ДНК (дезоксирибонуклеи-новой кислотой).
Белки, РНК и основа жизни
В статье, опубликованной в Nature, команда учёных успешно присоединила аминокислоты
к РНК в условиях, схожих с теми, что могли существовать на ранней Земле. С начала 1970-х годов учёные безуспешно пытались добиться этого.
Профессор Мэтью Пауэр, старший автор исследования с факультета химии
Университетского колледжа Лондона, объяснил: «Жизнь зависит от способности синтезировать белки — это ключевые функциональные молекулы жизни. Понимание происхождения синтеза белков необходимо для того, чтобы понять, откуда взялась жизнь.
«Наше исследование — большой шаг на пути к этой цели. Оно показывает, как РНК могла впервые начать контролировать синтез белка.
На пути к пониманию Синтеза Белка
«Сегодня для синтеза белков используется чрезвычайно сложная молекулярная машина — рибосома. Этой машине нужны химические инструкции, записанные в матричной РНК, которая переносит последовательность гена из ДНК клетки в рибосому. Затем рибосома, подобно сборочному конвейеру, считывает эту РНК и соединяет аминокислоты, одну за другой, чтобы создать белок.
«Мы осуществили первую часть этого сложного процесса, используя очень простые химические реакции в воде с нейтральным pH для соединения аминокислот с РНК. Эти реакции происходят спонтанно, избирательно и могли происходить на ранней Земле».
Простая химия с большими последствиями
В предыдущих попытках присоединить аминокислоты к РНК использовались высокореактивные молекулы, но они распадались в воде и приводили к тому, что аминокислоты вступали в реакцию друг с другом, а не с РНК.
Для нового исследования учёные обратились к биологии и использовали более щадящий метод преобразования аминокислот в реакционноспособную форму. Для активации использовался тиоэфир — высокоэнергетическое химическое соединение, играющее
важную роль во многих биохимических процессах и, согласно теории, участвующее в зарождении жизни.[1]
Профессор Паунер сказал: «Наше исследование объединяет две известные теории происхождения жизни — „мир РНК“, в котором самовоспроизводящаяся РНК считается основой, и „тиоэфирный мир“, в котором тиоэфиры рассматриваются как источник
энергии для самых ранних форм жизни».
Объединение конкурирующих теорий происхождения
Для образования этих тиоэфиров аминокислоты вступают в реакцию с серосодержащим соединением под названием пантеин. В прошлом году та же команда опубликовала статью,
в которой продемонстрировала, что пантеин может синтезироваться в условиях, подобных тем, что были на ранней Земле. Это позволяет предположить, что он мог сыграть определённую роль в зарождении жизни.
Следующим шагом, по словам исследователей, было определение того, как последовательности РНК могут избирательно связываться с определёнными аминокислотами, что позволяет РНК кодировать инструкции по синтезу белка — так
появился генетический код.
«Прежде чем мы сможем полностью объяснить происхождение жизни, нам предстоит решить множество проблем, но самой сложной и интересной из них остаётся вопрос о происхождении синтеза белка», — сказал профессор Паунер.
Ведущий автор исследования доктор Джиоти Сингх из Химического факультета Университетского колледжа Лондона сказал: «Представьте себе тот день, когда химики смогут взять простые, небольшие молекулы, состоящие из атомов углерода, азота, водорода, кислорода и серы, и из этих деталей LEGO собрать молекулы, способные к самовоспроизведению. Это был бы грандиозный шаг на пути к решению вопроса о происхождении жизни».
«Наше исследование приближает нас к этой цели, демонстрируя, как из двух первичных химических элементов (активированных аминокислот и РНК) могли образоваться
пептиды[2] — короткие цепочки аминокислот, необходимые для жизни.
«Что особенно важно, так это то, что активированная аминокислота, использованная в этом исследовании, представляет собой тиоэфир — молекулу, образованную из кофермента А, химического вещества, которое содержится во всех живых клетках. Это открытие потенциально может связать воедино метаболизм, генетический код и синтез белка».
Хотя статья посвящена исключительно химии, исследовательская группа утверждает, что продемонстрированные ими реакции вполне могли происходить в водоёмах или озёрах на ранней Земле (но вряд ли в океанах, так как концентрация химических веществ была бы слишком низкой).
Реакции протекают слишком быстро, чтобы их можно было увидеть в микроскоп с
видимым светом. Их отслеживали с помощью различных методов исследования структуры молекул, в том числе нескольких видов магнитно-резонансной томографии (которая показывает расположение атомов) и масс-спектрометрии (которая показывает размер молекул).
Примечания
Нобелевский лауреат Кристиан де Дюв предположил, что жизнь зародилась в «тиоэфирном мире». Согласно этой теории, жизнь зародилась в результате химических реакций, источником энергии для которых служили тиоэфиры.
Пептиды обычно состоят из 2–50 аминокислот, в то время как белки крупнее, часто
содержат сотни или даже тысячи аминокислот и имеют трёхмерную структуру. В рамках своего исследования команда учёных показала, как после загрузки аминокислот в РНК они могут синтезироваться с другими аминокислотами и образовывать пептиды.
Ссылка: «Аминоацилирование РНК с помощью тиоэфиров и синтез пептидил-РНК в воде» Джоти Сингх, Бенджамин Тома, Дэниел Уитакер, Макс Саттерли Уэбли, Юань Яо и Мэтью У. Поунер, 27 августа 2025 г., Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-09388-y
