Компьютерра - Компьютерра PDA N138 (01.10.2011-07.10.2011)

Одна из сложностей в изучении абиогенеза состоит в том, что мы имеем дело с очень зрелой, долго совершенствовавшейся жизнью. Глядя на её нынешнее совершенство, мы не видим этапов, через которые проходило её становление. Креационисты любят говорить о так называемой неупрощаемой сложности ("irreducible complexity"). Приведу пару примеров.

Пример № 1. Синтез белка по матрице РНК выполняют рибосомы - сложнейшие молекулярные роботы. Главная часть такого робота у кишечной палочки (классического объекта исследований) - молекула 23S-рРНК. Могла такая совершенная конструкция возникнуть сразу, одним скачком? Конечно, нет.

Вторичная структура 23S-рРНК кишечной палочки - совершенного молекулярного робота. Годится как пример "irreducible complexity"?

Пример № 2. Жизнедеятельность клетки основана на взаимодействии двух классов биополимеров - ДНК и белков. ДНК кодирует белки, белки строят ДНК - они создают друг друга примерно как две руки на картине Эшера. Мог какой-то из классов этих полимеров возникнуть и выполнять свои функции без другого? Конечно, нет.

ДНК созидают белки, белки созидают ДНК. Такая совершенная конструкция не могла возникнуть в результате случайного совпадения.

Оба примера используют как доказательства сотворения жизни. И впрямь, решения обеих проблем нетривиальны. Мы бы их и не узнали, если бы поверили в чудо и вместо изучения закономерностей химической эволюции занялись бы трактовками замыслов Бога. Решили эти проблемы те, кто имел иммунитет к креационистской агитации.

Первое. Выяснено, что супермолекула 23S-рРНК имеет несколько уровней структуры, хранящих "память" о её предыстории и её постепенном совершенствовании.

Небольшая часть 23S-рРНК кишечной палочки (показана красным) обладает активностью того же типа, что и вся конструкция, только более слабой. Это самая эволюционно старая часть молекулы. Каждая из последующих добавок увеличивала эффективность работы этой молекулярной машины.

Вторую проблему решают представления о первичности роли РНК. В ключевых взаимодействиях ДНК и белка между ними всегда оказывается РНК. РНК способна к матричному копированию, как ДНК, и обладает ферментативной активностью, как белок. Иногда молекулы РНК напоминают преджизнь.

Начну с опытов А.Б. Четверина, выполненных в Институте белка РАН. В чашку Петри (такую, в какой выращивают культуры бактерий) помещают гель, содержащий РНК-нуклеотиды (мономеры РНК) и белок (РНК-синтетазу), способный собирать их по матрице. Достаточно ненадолго приоткрыть чашку хоть в помещении, хоть на открытом воздухе, чтобы со временем на поверхности геля появились... колонии размножающейся РНК. Эти молекулы летают в воздухе. Попав на среду, позволяющую им самовоспроизводиться, они размножаются и конкурируют друг с другом! В конкретных условиях эксперимента преимущество будут иметь одни или другие типы последовательностей. При засевании новых чашек выращенными на среде культурами РНК эти культуры будут эволюционировать в сторону оптимальных для данных условий последовательностей.

Колонии РНК на поверхности двух чашек Петри. Иллюстрация из статьи А.Б. Четверина в сборнике "Проблемы присхождения жизни" (М.: ПИН РАН, 2009. - 258 с.). Сборник можно найти в сети; очень рекомендую...

Интересный результат, полученный Четвериным и его коллегами, заключается в описании рекомбинации (обмена участками РНК), спонтанно происходящей в присутствии ионов Mg 2+. А кроме того, метод колоний РНК перспективен для диагностики многих болезней...

На Западе чаще изучают эволюцию РНК в жидкости. С одной стороны в реактор втекает"пищевая" смесь, с другой - выходит отработанная жидкость с молекулами РНК. Конечно, "пища" для этой РНК-овой преджизни очень особая: её важный компонент - белки РНК-синтетазы. Зато в таких условиях можно по-настоящему изучать закономерности отбора и изменчивости на уровне автокаталитических реакций.

Пример эволюциитрёх культур РНК в направлении повышения эффективности использования изменённого (по сравнению с предшествовавшими условиями культивирования) реагента. Красная и синяя линии описывают популяции РНК, которые имели заранее накопленный резерв изменчивости вследствие мутаций при самокопировании. Чёрная линия соответствует популяции из идентичных молекул.

Рибозимы, которые синтезируют любые РНК в любых условиях, ещё не известны, но те, что синтезируют некоторые последовательности в определённых условиях, уже найдены(кроме прочего - в результате отбора). А ещё известныпары молекул РНК, каждая из которых способна собирать другую из её фрагментов. Знаете, прямо как далай-лама вместе с панчен-ламой: далай-лама ищет реинкарнацию панчен-ламы и воспитывает его в новой жизни; панчен-лама делает то же самое для далай-ламы...

Эти и многие другие результаты подтверждают концепцию "мира РНК" - этапа химической эволюции (или, если угодно, преджизни), основанного на самовоспроизведении РНК.

Реконструкция "мира РНК" ещё не закончена. Временами кто-то из исследователей абиогенеза сообщает о какой-нибудь существенной нестыковке. Раз за разом то, что казалось нестыковками, находит свое объяснение (как в примере с синтезом цитидина в прошлой колонке). Помогает ли в этой работе критика со стороны креационистов? Нет, конечно: те заняты своим. Вычисляют вероятность случайного спрыгивания атомов в живую клетку, трубят о ниспровержении научных представлений о возникновении жизни и рапортуют о неоспоримых доказательствах Божественного вмешательства.

Но всё-таки "мир РНК" очень непрост. Как он мог возникнуть? Как компоненты для синтеза РНК могли достичь нужной концентрации?

Одно из возможных решений этой проблемы - гипотеза "мира ПАУ", предшествовавшего "миру РНК". В этой гипотезе (и многих её возможных альтернативах) в качестве фактора, обеспечивающего концентрирование и закономерное размещение определённых веществ, рассматривается их связывание на упорядоченных поверхностях (как на кристаллических решетках минералов). Исследователи абиогенеза искали основу, которая собирала бы азотистые основания и размещала их на том расстоянии друг от друга, на каком они находятся в РНК и ДНК, - 0,34 нм. Нашли.

Помните миссию Deep Impact по бомбардировке кометы Темпеля 1 в 2006 году? В выбитом из кометы веществе зарегистрировали соединения, которых должно было быть много и на поверхности молодой Земли, - полиароматических углеводов, ПАУ. В воде ПАУ химически модифицируются и образуют стопки, способные связывать азотистые основания. Согласно этой гипотезе пре-РНК, синтезированные на стопках ПАУ, соединялись не сахарофосфатным остовом (как РНК), а полиформальдегидным. С изменением кислотности среды такие пре-РНК освобождались...