Шон Кэрролл - Вселенная

Если от вашего внимания что-то всё-таки ускользнуло, поясняю, что механизм копирования таков: две спирали ДНК отцепляются друг от друга и превращаются в своеобразные лекала, а свободные нуклеотиды стыкуются с одиночной спиралью каждый на своём месте. Поскольку каждый нуклеотид может соединиться только с конкретным участком спирали, в результате возникают две копии исходной двойной спирали — как минимум в тех случаях, когда копирование прошло без ошибок.

Информация, закодированная в ДНК, регулирует биохимические процессы в клетке. Если сравнить ДНК с набором чертежей, то можно предположить, что некий «молекулярный инженер» читает эти чертежи, а потом отправляется что-нибудь по ним собирать. Почти так всё и происходит, причём в роли инженеров выступают белки. Однако в цитобиологии участвует ещё один «бюрократический эшелон». Белки взаимодействуют с ДНК не напрямую, а посредством РНК.

Молекула РНК структурно напоминает ДНК, но обычно имеет форму одиночной спирали. «Хребет» этой спирали в РНК и ДНК немного различается, и в РНК аденин стыкуется с нуклеотидом урацилом (У), а не с тимином. РНК не так стабильна в химическом отношении, как ДНК, но может нести эквивалентную информацию в своей последовательности нуклеотидов.

Информация выходит из ДНК, когда двойная спираль расплетается, и последовательности каждой спирали копируются сегментами РНК. Эти сегменты — так называемая матричная РНК — переносят генетическую информацию к особым клеточным органеллам — рибосомам . Рибосомы, открытые ещё в 1950-е годы, — это сложные структуры, принимающие информацию из РНК и на её основе собирающие белки. В ходе этого многоэтапного процесса из относительно стабильной системы хранения информации (РНК) конструируются полезные молекулы (белки), и при этом задействуются менее стабильные переносчики информации (РНК), а также совершенно отдельные сборочные цеха (рибосомы).

* * *

Точно так же, как компартментализация и метаболизм, репликация связана с проблемой «что откуда взялось?», когда мы соотносим сложнейшие структуры, характерные для современной биологии, с более простыми системами, которые могли бы иметь небиологическое происхождение. В случае с компартментализацией требуется понять, как жизнь пришла к фосфолипидным бислоям, причём ответ может быть связан с жирными кислотами. В случае с метаболизмом нужно выяснить, как возникла клетка, работающая на протондвижущей силе, и ответ может заключаться в пористых камерах, обнаруженных в щелочных источниках. В случае с репликацией нас интересует, как возникла ДНК, и в этом нам может помочь РНК.

РНК соотносится с ДНК как устная поэзия с письменной. Обе молекулы могут передавать одну и ту же информацию, но ДНК гораздо надёжнее и прочнее. Однако она достаточно сложна, поэтому нелегко понять, как она могла возникнуть сама собой. При копировании ДНК важную часть работы выполняют белки. Но белки должны конструироваться на основе информации, сохранённой в ДНК. Как же белки могут возникнуть без ДНК, и наоборот?

Излюбленный ответ сторонников абиогенеза — это отсылка к так называемому миру РНК . В 1960-е годы эту базовую идею высказывали многие учёные, в том числе Александр Рич, Френсис Крик, Лесли Оргел и Карл Вёзе. ДНК хорошо переносит информацию, белки здорово выполняют биохимические функции, а РНК может делать и то и другое, пусть и не так хорошо. РНК могла возникнуть до ДНК и белков и послужить основой примитивной и более уязвимой древней жизни прежде, чем эволюция постепенно перераспределила её функции между более эффективными ДНК и белками.

Роль РНК при извлечении информации из ДНК была распознана достаточно рано, но лишь много позже биологи убедились, что РНК также может действовать в качестве катализатора, регулирующего биохимические реакции и управляющего их скоростью. В частности, рибозимы , открытые в 1980-е годы, — это особая РНК, способная катализировать собственный синтез, а также синтез белков. Слово «рибозима» донельзя созвучно со словом «рибосома». Оказывается, важнейшая часть рибосомного комплекса состоит из рибозимной РНК. Таким образом, рибосома — это в основном рибозимы. (Именно из-за таких словес молодые учёные охотнее идут в физику и астрономию.)

Дальнейшие исследования показали, что существует ряд различных типов РНК, отвечающих за выполнение разнообразных внутриклеточных функций. Кроме матричной и рибосомной РНК также существует транспортная РНК , доставляющая аминокислоты в нужное место — туда, где из них можно будет сделать белки. Регуляторная РНК помогает управлять экспрессией генов. И этим список видов РНК не ограничивается. Эти открытия помогли популяризовать идею мира РНК. Если вы хотите описать возникновение жизни с точки зрения «сначала размножение», то вам нужна молекула, способная переносить генетическую информацию и самовоспроизводиться без участия каких-либо сложных механизмов. По-видимому, РНК пришлась для этого как нельзя кстати.

* * *

Идея о том, что РНК могла быть первым переносчиком генетической информации и могла как самовоспроизводиться, так и собирать другие полезные биохимические структуры, убедительна и красива. Как и любая качественная парадигма, сценарий мира РНК оказался хорош тем, что породил немыслимое количество интересных исследований.

Отметим тот факт, что РНК может выступать в качестве фермента: катализировать химические реакции, нужные как для самосборки, так и для синтеза белков. Откуда взялась такая возможность? Вполне понятно, как нуклеотидная последовательность может хранить информацию, но ферментирование кажется принципиально иной возможностью.

Для того чтобы прояснить этот вопрос, Дэвид Бэртел и Джек Шостак в 1993 году поставили интересный эксперимент. (В 2009 году Шостак получил половину Нобелевской премии за исследования о защите хромосом при делении ДНК.) В принципе они применили метод, который можно было назвать «дарвиновской эволюцией с участием человека». Для начала они взяли большой объём произвольной РНК: триллионы молекул, в которых не прослеживалось никаких характерных нуклеотидных последовательностей. Затем выбрали часть этих молекул — такие, которые обладали повышенным каталитическим действием, — и сделали множество их копий. Эту процедуру повторили несколько раз: поиск РНК, которая казалась катализатором определённых реакций, и получение её копий. На этапе копирования происходили случайные мутации, и в результате некоторых из них новая РНК становилась более сильным катализатором, нежели прежняя. Спустя десять итераций такой процедуры стало понятно: последний набор молекул катализирует реакции примерно в три миллиона раз лучше, чем исходный. Вот яркий пример того, как случайные, ненаправленные мутации могут кардинально улучшать пригодность тех или иных веществ для выполнения полезных биохимических функций.