Крейг Вентер - Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Многие полагают, что первым важным реплицирующимся генетическим материалом была РНК, и описывают некий «мир РНК», предшествовавший жизни, основанной на ДНК {176} 176 http://cshperspectives.cshlстр. org/content/4/7/a006742 . В 1967 году Карл Вёзе одним из первых предположил, что у РНК могут быть свойства катализатора, так что она и несет генетическую информацию (подобно ДНК), и может вести себя как белки (ферменты), что существенно, потому что практически все химические реакции, проходящие в живой клетке, требуют катализаторов {177} 177 Wöese, Carl. The Genetic Code . New York: Harper and Row, 1967. . До самого 1982 года, когда Томас Чек из Колорадского университета в Боулдере показал, что молекула РНК может сама вырезать интрон {178} 178 Kruger, K., Р. J. Grabowski, A. J. Zaug, J. Sands, D. E. Gottsch-ling, T. R. Cech (ноябрь 1982). “Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena .” Cell 31 (1), стр. 147–157. , а Сидней Альтман из Йельского университета открыл каталитические свойства РНК-компонента рибонуклеазы P {179} 179 Guerrier-Takada, C., K. Gardiner, T. Marsh, N. Pace, S. Altman (1983). “The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme.” Cell 35 (3 Pt 2), стр. 849–857. , которая может нарезать РНК [26] Рибонуклеаза P – комплексный фермент, состоящий из соединенных вместе молекул РНК и белка. Сидней Альтман показал, что РНК-компонент рибонуклеазы P способен выполнять функции фермента (разрезать другие молекулы РНК) и в отсутствие белка. , мы не знали точно, что эти каталитические РНК – «рибозимы» – на самом деле существуют. Чек и Альтман поделили Нобелевскую премию 1989 года по химии за эти открытия {180} 180 Нобелевская премия 1989 года по химии была вручена Томасу Чеку и Сиднею Альтману «за открытие ими каталитических свойств РНК». .

Рибозимы могут быть ключом в попытках ответить на самый основной вопрос из всех. Как появилась самая первая клетка, будь то на Земле или на какой-то экзопланете? {181} 181 За свежим обзором я отсылаю читателей к David Deamer. First Life: Discovering the Connections Between Stars, Cells and How Life Began (University of California Press, 2011). В попытках понять происхождение жизни применялось много подходов, но если и есть какой-то один исследователь, который попытался сделать это путем формирования реальной примитивной «жизни» (с нуля), то это нобелевский лауреат Джек Шостак {182} 182 Джек Шостак был награжден Нобелевской премией 2009 года по физиологии и медицине вместе с Элизабет Блэкбёрн и Кэрол Грейдер за открытие теломерной защиты хромосом. и его лаборатория в Гарварде. В отличие от групп, работающих на «искусственных клетках», состоящих из белковых систем в липидных пузырьках, но без каких-либо программных молекул жизни, Шостак понимает, что жизни требуется самовоспроизводящийся «информационный геном» {183} 183 Szostak, Jack W., David P. Bartel, and Р. Luigi Luisi. “Synthesi-zing life.” Nature 409, стр. 387–390 (18 января 2001). . Точка зрения Шостака – между позициями двух лагерей, занятых изучением происхождения жизни. Лагерь первичности программ считает самым важным шагом в происхождении жизни появление репликации РНК как одновременно носителя информации и каталитической молекулы. Другая группа утверждает, что ключевым фактором эволюции первичной жизни стало появление клеточной мембраны в форме самособирающихся и самовоспроизводящихся везикул.

Эти везикулы, пузырьковидные структуры, также известные как мицеллы, спонтанно образуются из липидных молекул, когда концентрация этих молекул превышает определенный порог. Самые первые липидные молекулы, как полагают, были жирными кислотами, которые присутствовали на древней пребиотической Земле и были найдены даже в метеоритах. У их молекул есть гидрофобный (жирный, водоотталкивающий) конец и гидрофильный (любящий воду) конец, которые могут сцепляться, образуя структуры. Липидные молекулы соединяются хвостом к хвосту (жирный конец к жирному), оставляя водолюбивые концы открытыми наружу на внешней и внутренней поверхностях образующейся мембраны. Эта сборка действует как эффективный барьер, удерживающий растворенные в воде молекулы внутри пузырька, чтобы создать уникальную среду.

В совместной работе со своей студенткой Ирене Чен и Ричардом Робертсом {184} 184 Рич Робертс, ныне работающий в New England Biolabs , разделил Нобелевскую премию 1993 года по физиологии и медицине с Филипом Шарпом за открытие интронов в ДНК эукариотов и механизма генного сплайсинга. из Калтеха Шостак показал, что простое присутствие РНК в пузырьках, образованных жирными кислотами, может ускорить их рост, отбирая мембранные молекулы из соседних везикул, содержащих меньше РНК или не содержащих ее вовсе {185} 185 Chen, I. A., R. W. Roberts, J. W. Szostak. “The emergence of competition between model protocells.” Science , 3 сентября 2004, 305, стр. 1474–1476. . Этот рост происходит, потому что РНК в везикулах создает осмотическое давление. Это внутреннее давление распирает мембрану, и она растет за счет поглощения жирных кислот из любых окружающих везикул, которые менее раздуты вследствие того, что в них меньше нуклеиновой кислоты. Протоклетки, в которых было больше РНК, росли быстрее, до момента, когда при легком встряхивании – например, под действием ветра или волн на первичной Земле – они разваливались на дочерние везикулы.

Следующим шагом Шостака снова было вставить РНК, но на этот раз оснастить эту программу полезными инструкциями для его протоклеток. Эта информация может кодировать способы создания фосфолипидов, класса липидов, которые характерны для современных мембран. Это стало бы критическим этапом в переходе от примитивных мембран, основанных на жирных кислотах, к современным клеточным мембранам на фосфолипидах. Таким образом, внесение программной РНК в протоклетки делает теоретически возможными простые самовоспроизводящиеся системы. Это захватывающие исследования, и, я уверен, они продемонстрируют, что самовоспроизводящиеся клетки могут формироваться из пребиотических химикатов.

Если синтетический генетический материал можно составить так, чтобы он катализировал собственную репродукцию внутри искусственной мембраны, значит, в лаборатории могла бы быть создана примитивная жизнь. Возможно, эти клетки походили бы на первые формы жизни на Земле, существовавшие четыре миллиарда лет назад, но скорее они будут представлять собой нечто совершенно новое. Важно, что эти первые синтетические клетки, как и те, что были на заре жизни, будут обладать огромным потенциалом: способностью к мутациям и дарвиновской эволюции. Я уверен, что, когда дойдет до амбициозной цели превращения ДНК в клетку, они станут источником ценных идей и для моей собственной команды, и для многих других, кто исследует эти важные проблемы.

Дополняя эту работу по происхождению жизни, мы проводим новое исследование, долгосрочная цель которого – сотворение «универсальной реципиентной клетки», которая сможет принимать любую синтетическую ДНК с программой, настроенной на создание жизни, причем назначенного вида. Сейчас количество типов реципиентных клеток, которые мы используем для пересадки генома в наших лабораториях, очень ограниченно. Чтобы создать универсальную реципиентную клетку, мы сейчас переписываем генетический текст клетки микоплазмы, чтобы она приобрела способность транслировать и транскрибировать любую пересаженную ДНК. Это исследование должно расширить и детализировать наши догадки о том, почему жизнь существует в виде маленьких упаковок, которые мы называем клетками.