Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории провели исследования, которые проливают свет на гипотезу РНК-мира. Гипотеза мира РНК утверждает, что первые жизненные формы могли появиться на основе РНК. Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Так возникла гипотеза «РНК-мира». Ученым из США удалось получить ее первое подтверждение.
22-M. «Мир РНК» . ПРОСТЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ТВОРЦА
Строение РНК Типы РНК Гипотеза РНК мира. Гипотеза мира РНК — Структура рибозима — молекулы РНК, выполняющей функцию катализа Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации. Новости о недвижимости, экономики и финансах в России.
РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле
Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. «Я убежден, что гипотеза РНК-мира неверна», -говорит профессор отделения растениеводства (University of Illinois crop sciences) и Института геномной биологии. Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Ученые из Института биологических исследований Солка провели исследования, подтверждающие гипотезу о мире РНК. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили о новых доказательствах в пользу гипотезы РНК-мира.
Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале eLife. Согласно гипотезе РНК-мира, первые репликаторы структуры, способные к размножению на Земле представляли собой РНК-молекулы, способные катализировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. Однако было не ясно, как такая молекула может возникнуть из предшественников, не способных к каталитической активности. Оказалось, что рибозим, который способен расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно, поскольку для обеспечения его функции необходимы только несколько консервативных оснований.
Однако оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось в ходе биохимической эволюции.
В каждый момент времени около 90 процентов волос находится в фазе роста. В среднем анаген длится от двух до пяти лет, но может длиться меньше, если вы нервничаете, плохо питаетесь или состарились. Катаген — фаза, в которую волосяная луковица отсоединяется от кровеносных сосудов и нервов. Она значительно короче анагена и длится от трех до шести недель. В катаген предшественники кератиноцитов и меланоцитов отмирают и перестают делиться. Телоген — фаза покоя. Через несколько месяцев после утраты кровяного снабжения оголодавший волос выпадет.
В течение примерно недели фолликул пустует, а затем там постепенно начинают делиться стволовые клетки и зарождается новый волос. Начинается новый анаген. В ранней фазе роста в нижней части волосяного фолликула возникают две популяции стволовых клеток. Первая популяция — это зародыш волоса. Другая популяция мигрирует из области выпуклости bulge, область между мышцей, поднимающей волос, и сальной железой. Эти стволовые клетки спускаются к основанию новой волосяной луковицы, и превращаются в зрелые меланоциты, которые займутся окрашиванием нового волоса пигментом. Считается, что если в фазе покоя предшественники меланоцитов успели сползти к волосяной луковице и волос уже начал расти каштановым, рыжим или черным, после этого ничто не заставит его поседеть. Количество меланоцитов и их способность накачивать волос цветом остаются практически неизменными весь цикл роста, а поседеть может уже фактически новый волос в новую волну миграции стволовых клеток.
Поскольку с возрастом пул стволовых клеток истощается, в зародыш волоса попадает меньше предшественников пигментных клеток, они меньше пачкают эпителиальные клетки, и новый волос растет седым. Как правило, однажды побелев, волос уже не вернет себе цвет. Однако некоторые данные показывают, что процесс поседения все же чуть более гибкий: в исключительных случаях волос может начать седеть посреди фазы роста, какое-то время расти седым, а потом возвращать себе цвет. Так или иначе, волосы у Лиланда Палмера не могли поседеть за ночь. Седина не может появляться быстрее, чем растет волос. Согласно классической гипотезе появления седины, за ночь Лиланду пришлось бы синхронизировать фазы роста волос по всей голове до фазы покоя, облысеть и отрастить густую шевелюру новых седых волос. То есть ужать цикл выпадения и роста волоса с нескольких лет до одной ночи. При всей спорости безумных танцев, Лиланду за ночь такое не успеть.
Более гибкий сценарий появления седины тоже не оставляет шансов: мы бы наблюдали постепенное отрастание седых волос, примерно по сантиметру в месяц, а не внезапные ночные метаморфозы. Мгновенное появление седины у мистера Палмера на экране и у сверженной королевы Франции в исторической легенде — абсурдное преувеличение. Но у любого абсурда есть причины, и поседеть быстрее обычного они действительно могли. Возможных причин — несколько. Вы лысеете Первый задокументированный случай внезапного побеления волос зафиксирован в Талмуде и датируется 83 годом нашей эры. Это история про раввина Элазара бен Азария, которого избрали председателем Синедриона, высшего суда в земле Израиля, в юном-преюном возрасте 18 лет. Жена юноши была обеспокоена, что тот выглядит слишком молодо для своей должности. К счастью, в тот же день у раввина появилось 18 рядов седых волос.
Средневековый раввин Маймонид утверждал, что седина появилась из-за напряженной учебы: день и ночь бен Азария корпел над Торой, из-за чего ослаб и резко постарел. Это была первая из многих попыток объяснить, почему волосы могут быстро побелеть. В 1806 году французский химик и фармацевт Луи-Николя Воклен предположил, что выделяется некоторое таинственное вещество, которое растворяет пигмент. Спустя 60 лет немецкий физиолог Леонард Ландуа придумал другой механизм внезапного поседения: по его гипотезе, при внезапном поседении внутрь волоса почему-то проникают пузырьки воздуха, что придает ему белый оттенок из-за преломления света. А уже в начале XX века Илья Мечников допустил, что по волосам ползают особые иммунные клетки — пигментофаги, которые поглощают пигмент, а затем относят его к волосяной луковице и откладывают в соединительной ткани. Сейчас внезапное поседение все чаще объясняют тем, что меняется цикл роста волос: анаген становится короче, волосы быстрее выпадают, а новые вырастают с нехваткой пигмента. Избыточное выпадение волос называют телогеновой алопецией telogen effluvium , и начинается она через два-три месяца после воздействия какого-то триггера. Триггером могут быть лекарства оральные контрацептивы, антидепрессанты, бета-блокаторы , травма, эмоциональный стресс или проблемы с диетой, вроде нехватки калорий, белка и жирных кислот в пище.
Еще одна возможная причина — облучение ультрафиолетом.
Ведь одна ДНК сама по себе ничего не сделает. Что касается РНК, то ее вообще не замечали. Это стало мировой сенсацией, изменившей многие представления в генетике.
Затем была открыта новая грань РНК: она может работать вместо белков. Пусть медленней, пусть не так точно, но, тем не менее, она на это способна. А дальше - больше. Словом, РНК оказалась этаким универсалом, мастером на все руки.
Авторы описывают фермент РНК, способный создавать точные копии других функциональных нитей РНК, позволяя со временем возникать новым вариантам этой молекулы. Это значит, что самые ранние формы эволюции могли возникнуть на молекулярном уровне в РНК. Кроме того, это открытие приближает ученых к воспроизводству в лабораторных условиях процесса репликации молекул РНК и непосредственной проверки верности гипотезы «РНК-мира». Молекулы РНК, как и ДНК, состоят из нуклеотидных последовательностей, но могут также выступать в роли белков, как ферменты для проведения реакций. Команда Джеральда Джойса, президента Института им. Однако все попытки получить в лаборатории версии, способные реплицировать крупные молекулы, оборачивались неудачей — они не обладали достаточной точностью.
Исследователи смешивают РНК и ДНК, чтобы изучить, как началась жизнь на Земле
В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок. Главная/Биология/Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК". Гипотеза мира РНК — это гипотетический этап процесса зарождения и развития жизни на Земле, когда молекулы рибонуклеиновых кислот (РНК) выполняли две ключевых функции. Последние новости по теме рнк. Согласно гипотезе РНК-мира, молекула РНК играла ключевую роль в молекулярных процессах и биохимических реакциях, которые привели к появлению жизни на Земле.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
В 1968 году химик Лесли Орджел опубликовал статью, в которой описал возможность существования жизни на Земле исключительно в виде рибонуклеиновых кислот, которые были способны передавать информацию безо всяких белков. Впоследствии эту идеи развили другие ученые. Так возникла гипотеза «РНК-мира».
Оказалось, что короткие цепочки РНК, действуя как праймеры, могут приводить к образованию большого количества копий разрушенного полимера, аналогично процессу регенерации червей. Добавление спонтанно образованных рибозимов к полимерным цепочкам также оказало влияние на процесс самовоспроизводства этих структур. Источник фото: Фото редакции Репликация полимера осуществлялась через циклическое изменение температуры между горячей и холодной фазами, что напоминает циклы день-ночь.
Как именно это произойдет? Ватные каплиЗарождение жизни объяснили без участия бога Исследователи разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК, лишенные ферментативной активности.
В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении.
Чем белки хуже? По идее предположительная репликация белков по аналогии с репликацией РНК должна идти более быстро и эффективно, чем репликация РНК если сравниваемые белки и их предположительные функциональные РНК - аналоги ещё относительно малы.
Потому, что РНК ещё нужно развернуть, что требует времени а потом - свернуть. Белки же лишены этих недостатков. И пока количество хранимой информации было относительно мало короткие белки почему бы белкам нельзя было одержать вверх над РНК, если предположить, что белки могли тоже как и РНК размножаться по репликационному принципу грубо говоря, примерно, так, как это происходит у прионов? А уж потом, когда белки "выросли" по мере эволюционного накопления информации увеличилось негативное влияние шума при их репликации и возникла потребность более надежного хранения информации. Что, в принципе, можно достичь свертыванием в цепь.
Но на эту роль РНК подходят более удачно, чем белки. И тогда в клетках может быть и возникли РНК-молекулы?
Обнаружены новые доказательства РНК-мира
| Гипотеза мира РНК | это... Что такое Гипотеза мира РНК? | Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки. |
| Гипотеза «мира РНК» и происхождение жизни | Блог Genotek | Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов. |
| Решена главная проблема появления жизни на Земле | В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы. |
| Мир – РНК — Студопедия | Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения. |
| РНК у истоков жизни? | Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории провели исследования, которые проливают свет на гипотезу РНК-мира. |
Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
Железо могло сыграть гораздо более существенную роль в образовании жизни на Земле, чем предполагалось ранее. Гипотеза мира РНК представляет собой одну из моделей биогенеза. В соответствие с ней предполагается, что до того, как ДНК эволюционировала и получила способность кодировать синтез белка, молекулы РНК вели себя и как кодирующие нуклеотиды и как биологический катализатор — предок ферментов. Тем не менее, найти доказательства в пользу того, что РНК могла выполнять обе эти функции, гораздо сложнее.
Однако было не ясно, как такая молекула может возникнуть из предшественников, не способных к каталитической активности. Оказалось, что рибозим, который способен расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно, поскольку для обеспечения его функции необходимы только несколько консервативных оснований. Однако оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось в ходе биохимической эволюции. Последний вздохУченые назвали срок гибели всего живого на Земле.
Как именно это произойдет?
В последнем выпуске Nature Chemistry он и первый автор исследования, Субхенду Боумик, доктор философии, также из Научно-исследовательского института Скриппса, сообщают, что эти смешанные молекулы образуют нестабильные дуплексы и имеют меньшую аффинность к себе. Фактически, исследователи смогли сформировать эти химеры в лабораторных условиях и показать, что они обладают потенциалом для репликации РНК и ДНК, и, таким образом, образованные РНК и ДНК способны воспроизводить химеры. Такое поведение может привести к кросс-каталитической амплификации РНК и ДНК - ключевому шагу к эволюции сложных организмов. Новый проект экспериментально поддерживает идею о том, что жизнь могла возникнуть из гораздо более сложной системы, где «чистой» РНК и ДНК еще не существовало. Как говорит Кришнамурти: «Ничего страшного, не иметь чистой химии».
Под воздействием УФ-излучения в присутствии неорганического фосфата процесс завершается образованием рибонуклеотида 1. Коллеги ученых по достоинству оценили результаты их работы. Полная версия отчета ученых опубликована в журнале Nature. Подготовлено по материалам Physorg.
Навигация по записям
- Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира
- Гипотеза мира РНК
- Из Википедии — свободной энциклопедии
- Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле
- гипотеза "Мир-РНК"
- ПОДПИСАТЬСЯ НА РАССЫЛКУ
Появилась новая гипотеза возникновения ДНК и РНК
Десятки раундов эволюции в этой системе улучшили свойства РНК-полимеразы, существенно сократили время получение полноразмерного продукта. Однако точность синтеза РНК оставалась недостаточно высокой, и лишь незначительная доля молекул лигазы, которые они синтезировали, обладала каталитической активностью. Авторы отмечали, что понадобится более строгий отбор, чтобы получить РНК-полимеразы с высокой точностью, которые смогли бы синтезировать более длинные молекулы. В новой работе Джойс и соавторы получили РНК-полимеразы, способные синтезировать целую молекулу РНК-лигазы с достаточно низким уровнем ошибок.
Стратегия эволюции, которая использовалась в эксперименте, аналогична вышеописанной. В этот раз РНК-полимераза синтезировала на матрице РНК-лигазу, а затем подвергалась обратной транскрипции, причем оставалась связанной со своим продуктом. Если РНК-лигаза, которую синтезировал данный вариант РНК-полимеразы, была функциональна, то она сшивала разрыв, и вся конструкция могла быть выделена с помощью бусин со стрептавидином.
К сожалению, мы не можем показать эту иллюстрацию, так как статья закрытая. В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью.
Теоретически именно ДНК могла возникнуть как вспомогательный элемент догмы: нечто крупное и неповоротливое, что удобно хранить, поднимая время от времени нужные гены. Впрочем, оказалось, что РНК способна и к самокопированию, и даже к изменчивости, то есть накоплению мутаций и некоторого рода эволюции. Эксперименты, показавшие эти ее свойства, были проведены еще в прошлом веке и тоже стали кирпичиком новой гипотезы. Одним из первых их провел британский молекулярный биолог Лесли Орджел, который, помимо своих научных исследований, известен забавным «правилом Орджела»: «Эволюция умнее, чем ты». К началу нового века гипотеза РНК-мира сформировалась окончательно.
Многократно самокопирующаяся РНК действительно могла породить всё живое на Земле, постепенно отграничив себя от пространства и сформировав протоклетку. Но, как это обычно случается в науке, возникли новые вопросы. В первую очередь ко второй части молекулярной догмы: как именно появилась крепкая связь между РНК и аминокислотами и как, наконец, появилась система синтеза белка? Предполагаемая схема «первоклетки» — РНК, окруженная билипидным мембранным слоем. Источник Но есть нюанс Гипотеза РНК имеет обширную доказательную базу и по праву считается одной из самых логичных и подходящих для объяснения формирования жизни. Но и у нее есть недостатки, или, вернее, вопросы, ответы на которые в рамках самой гипотезы найти сложно. Во-первых, РНК очень нестабильна, а время ее жизни крайне ограничено.
Сложно представить себе «начало начал», способное распасться при малейших изменениях в окружающей среде. РНК нуждается в ионах двухвалентных металлов, в основном в магнии, но при этом распадается при их слишком большой концентрации. РНК любит кислую среду, но практически не выдерживает щелочной. Во-вторых, много вопросов и к самому «случайному» синтезу. Да, сахара действительно могли быть занесены извне, и да, протонуклеотиды действительно могли быть синтезированы из «того, что было». Но вот представить себе синтез итоговой молекулы РНК сложно — слишком много условий должно было совпасть для этого та же рибоза если и была занесена из космоса, то явно в очень малых количествах. Экспериментально, впрочем, возможность соединения сахара и нуклеотида уже была показана, но ведь есть и третий участник — остаток фосфорной кислоты, и о его ранней судьбе данных пока нет.
Всё это привело к тому, что из гипотезы РНК-мира возникла подгипотеза — пре-РНК-мира: в начале появились первичные метаболические компартменты-протоклетки, а потом уже в них пошел синтез реплицирующихся молекул РНК, где возникали все возможные варианты соединения трех участников, пока не был найден единственный верный. В-третьих, возникает вопрос о формировании протоклетки. Да, мембрана очень полезна — она защищает хрупкую РНК, позволяя ей «жить» чуть дольше, чем просто в обычном растворе. Но точно так же она отделяет РНК от необходимых ей элементов — нуклеотидов и ионов. То есть для формирования первых бислоев с включенной в них РНК уже должны были появиться какие-то простые системы закачки или хотя бы связывания нужных элементов, своего рода первичные челночные системы. Даже это в целом представить можно, но каким образом РНК координировала их работу? Из предыдущего вопроса вполне логично вытекает следующий: каким образом эти белки оказались встроены в мембрану, а главное — как появился генетический код, позволяющий синтезировать эти белки?
Есть предположения, основанные на данных эксперимента, что в самом начале РНК-мира транспортных РНК, которые доставляли аминокислоты к рибосоме, было всего две и синтез шел путем проб и ошибок.
Таким образом, чтобы встроиться в молекулу РНК, нуклеотид должен быть активирован за счет связывания двух других фосфатных групп с образованием, например, аденозинтрифосфата. Помимо всего этого, рибоза должна иметь правильную стереоизомерию , так как нуклеотиды, имеющие неправильную хиральность , выступают в роли терминаторов транскрипции. Фактически, он утверждал, что этот эксперимент не показал, что нуклеиновые кислоты были основой происхождения жизни, а просто показал, что эта гипотеза не была неправдоподобной. Кэрнс-Смит утверждал, что для того, чтобы достичь количества молекул, необходимого для возникновения жизни, процесс построения нуклеиновых кислот должен соблюдать 18 автономных условий между ними в течение нескольких миллионов лет. Мир РНК в деталях Механизмы синтеза пребиотической РНК Гипотеза предполагает наличие в первичном бульоне нуклеотидов, способных легко образовывать химические связи между собой и с такой же вероятностью разрывать эти связи благодаря малой энергии, необходимой для таких событий. В этой среде некоторые последовательности оснований, обладающие каталитическими свойствами, могли бы усиливать образование последовательностей с идентичными характеристиками именно благодаря каталитической активности, способной снижать энергию, необходимую для образования таких последовательностей. Главным последствием образования этих последовательностей было бы то, что производство нитей РНК стало бы явно более выгодным, чем их разрыв.
Эти последовательности считаются самыми ранними, примитивными формами жизни. Только наиболее эффективные с точки зрения катализа и самовоспроизведения выжили бы, чтобы развиться и сформировать современную РНК. Конкуренция между РНК, возможно, способствовала возникновению кооперации между различными цепями, тем самым прокладывая путь для первых протоклеток. В пределах этого набора РНК некоторые, возможно, развили способность катализировать образование пептидной связи с эволюционно выгодным последствием способности генерировать вспомогательные пептиды для каталитической активности рибозимов. Точно так же все другие химические молекулы, которые характеризуют его сегодня, такие как ДНК, липиды или углеводы , также могли быть вовлечены в процесс формирования жизни. Другие предположения Существует другая версия гипотезы, называемая гипотезой преРНК-мира. Согласно этой теории, до РНК существовала другая нуклеиновая кислота. Среди предложенных есть, прежде всего, ПНК , более стабильная, чем РНК, и более легкая для синтеза в пребиотических условиях в которых образование рибозы и присоединение фосфатных групп, отсутствующих в ПНК, определенно проблематично.
Он предположил, что последним общим предком среди трех доменов мог быть РНК-вирус. Некоторые вирусы позже примут ДНК, гораздо менее подверженные внешним повреждениям, и начнут заражать организмы, принадлежащие к трем доменам, этой нуклеиновой кислотой, что также позволит их эволюции.
Если наружная стенка порвется, внутренности выльются наружу и клетка умрет — так же, как и выпотрошенный человек. Человечество изменило сушу до неузнаваемости. Но что насчет воды? Наружная стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни даже считают, что она появилась прежде всего. Они считают, что подходы «сперва генетика», который мы обсудили во второй части, и «сперва метаболизм», который мы обсудили в четвертой части, ошибочны. Все живые предметы состоят из клеток Идея Луизи проста, и с ней трудно спорить. Каким образом вы собрались создавать рабочую метаболическую систему или самовоспроизводящуюся РНК, каждый из которых опирается на наличие большого количества химических веществ в одном месте, если вы сначала не сделаете контейнер, который удерживает все молекулы вместе. Если вы с этим согласны, есть только один способ, с которого могла начаться жизнь.
Каким-то образом, в жаре и буре ранней Земли, неколько сырых материалов сложились в грубые клетки, или «протоклетки». Осталось только повторить это в лаборатории: создать простую живую клетку. Идеи Луизи можно проследить аж до Александра Опарина и рассвета науки о происхождении жизни в СССР, которых мы обсудили в первой части. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют сгустки — коацерваты — которые могут держать другие вещества внутри. Он предположил, что коацерваты были первыми протоклетками. Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать сгустки или пленки в воде. Эти химические вещества известны в общем как липиды. Соответственно, гипотезу о том, что с них начала жизнь, назвали «липидным миром». Но просто сформировать сгустки недостаточно. Они должны быть стабильными, уметь делиться на «дочерние» сгустки и хоть немного контролировать, что проходит внутрь и выходи наружу — и все это без сложных белков, которые используют современные клетки для этих задач.
Появилась задача собрать такие протоклетки из всего необходимого материала. Несмотря на множество попыток за много лет, Луизи так и не сделал ничего хоть мало-мальски убедительного. И тогда, в 1994 году, он осмелился сделать дерзкое предположение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была уметь воспроизводиться внутри протоклетки. Как-то клетка все же появилась И вот, его гипотеза стала очень сложной и отошла от чистого подхода «сперва компартментализация». Но у Луизи были веские доводы. Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов.
Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части. Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз. Почти вся жизнь одноклеточная «Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак. Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему». В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира. Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей. Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками. Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе. Везикулы — это простые контейнеры, состоящие из липидов Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром.
Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент. Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки. Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так. За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни. Кусок монтмориллонита Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают. Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой.
Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита. Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК. Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий. И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток. Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе. Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому.
Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение. Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя? Клетки делятся на два Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть. Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки. Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия.
Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки. В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука. Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать. Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток. Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблему, похоже, решили.
В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться. Но все равно протоклеткам многого недоставало. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться. В будущем мир ожидает спад рождаемости. Что это значит для человечества? Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить. Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки. Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК.
Первая клетка должна была вмещать химию жизни По сути все просто. Возьмите одну цепь РНК и набор свободных нуклеотидов. Затем, используя эти нуклеотиды, соберите вторую цепь РНК, комплементарную первой. Сделав это дважды, вы получите копию оригинальной «CGC», только окольным путем. Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь создала копии своих генов. К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов. Больше ему сделать не удалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катажина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках. Они обнаружили, что для работы такой реакции нужен магний.
Но магний уничтожил протоклетки. Впрочем было и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках. В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться. Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. Протоклетки Шостака могут жить в сильном тепле Всего за десять лет исследований команде Шостака удалось совершить невероятное. Они создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они были похожи на первую жизнь. Как собаки понимают человеческий язык?
Еще они были весьма устойчивыми. В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. Следовательно, эти протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была переживать сильное тепло от постоянных ударов метеоритов. Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака идет вразрез с 40 годами исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу. Молекулы жизни ведут себя крайне сложно Это открывает путь к новому подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу. Он должен охватить все функции первой жизни сразу и одновременно. Эта гипотеза «сперва всё» уже насобирала достаточно свидетельств и может решить все проблемы существующих идей. Часть шестая: великое объединение На протяжении второй половины 20-го века исследователи происхождения жизни работали каждые в своем лагере. Каждая группа настаивала на собственной версии развития событий и старалась уничтожить конкурирующие гипотезы.
Такой подход был безусловно успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая перспективная идея о происхождении жизни в конечном счете наталкивалась на серьезную проблему. Так что некоторые исследователи сейчас пытаются найти более единый подход. Несколько лет назад эта идея получила мощный толчок, благодаря результату, поддерживающему устоявшуюся теорию «мира РНК». К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Они не могли сделать нуклеотиды, строительные блоки РНК, как если бы это происходило в условиях ранней Земли. Это и привело людей к мысли, что первая жизнь вовсе не была построена на РНК, как мы выяснили в третьей части. Земля — единственное место, где есть жизнь. Пока Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х. Большинство научно-исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно генерировать новые работы, но LMB нет. Поэтому Сазерленд мог хорошенько обдумать, почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход.
Его решение привело его к совершенно новой идее о происхождении жизни: все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно. Молекулы просто не той формы. Поэтому Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества. В конечном счете его команда пришла к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. Эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания. Это был ослепительный успех, который сделал Сазерленду имя. Многие наблюдатели интерпретировали эти результаты как еще одно доказательство в пользу мира РНК. Но сам Сазерленд так не считал.
Но Сазерленд говорит, что это безнадежно оптимистично. Он считает, что РНК принимала важное участие, но на ней все клином не сходилось. Вместо этого он вдохновился одной из последних работ Шостака, которая как мы выяснили в пятой части совмещала РНК-мир «сперва воспроизводства» с идеями «сперва компартментализации» Пьера Луиджи Луизи. Сазерленд пошел еще дальше. Его подход представлял собой «сперва всё». Он хотел, чтобы цельная клетка собралась сама по себе с нуля. К этому его привела странная деталь в его синтезе нуклеотидов, которая сначала казалась случайной. Жизни нужна жирная смесь веществ Последним шагом в процессе Сазерленда было забросить фосфат в нуклеотид. Однако он выяснил, что лучше всего было включать фосфат в смесь с самого начала, поскольку он ускорял первые реакции. Казалось, что включение фосфата до того, как он понадобится на самом деле, было слегка «грязноватым» действием, но Сазерленд выяснил, что этот хаос — это хорошо.
И так он задумался о том, насколько беспорядочными должны быть смеси. Во времена ранней Земли должны были существовать десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Рецепт шлама? Но беспорядок может быть важным условием. Смеси, которые Стэнли Миллер приготовил в 1950-х годах, о которых мы говорили в первой части, были куда грязнее сазерлендовых. Они включали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в небольших количествах и сопровождались огромным количеством других, не биологических соединений». Что происходит с человеком после переедания? Сазерленд считал, что подход Миллера был недостаточно хорош. Он был слишком грязным, поэтому хорошие химические вещества просто терялись в смеси. Поэтому Сазерленд вознамерился найти «химию Златовласки»: не слишком грязную, чтобы стать бесполезной, но и не слишком простую, чтобы быть ограниченной в возможностях.
Получить достаточно сложную смесь — и все компоненты жизни смогут сформироваться одновременно и найти друг друга. Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он существовал годами, пока в нем не собрались нужные химические вещества. Затем, возможно, за какие-нибудь пару минут появилась первая клетка. Горстки химвеществ недостаточно для жизни Это может показаться совершенно неправдоподобным, словно заявления средневековых алхимиков. Но у Сазерленда только прибавляется доказательств. В 2009 году он показал, что та же химия, которая позволила собрать два его нуклеотида РНК, также может создавать многие другие молекулы жизни. Очевидным следующим шагом было сделать больше нуклеотидов РНК. Пока этого сделать не удалось, но в 2010 году он собрал тесно связанные молекулы, которые потенциально могут превратиться в нуклеотиды. Точно так же, в 2013 году он сделал прекурсоры аминокислот.
На этот раз ему пришлось добавить цианид меди, чтобы заставить реакцию протекать. Связанные с цианидом химические вещества оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд сделал с ними еще больше. Он показал, что в том же горшке с химическими веществами могут появиться и прекурсоры липидов, молекул, из которых состоят стенки клеток. Все эти реакции полагались на ультрафиолетовый свет, включали серу и медь как катализатор. Жизни нужен настоящий рог изобилия химвеществ «Все строительные блоки вышли из общего ядра химических реакций», говорит Шостак. Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был в корне неверным. С тех пор, как стала очевидной сложность клетки, ученые начали работать с предположением, что первые клетки должны были собираться постепенно, по частям. Вслед за предложением Лесли Оргела о том, что сначала появилась РНК, ученые пытались «поставить одно перед другим, а потом как-то получить порядок», говорит Сазерленд. Но он думает, что лучше всего — сделать все и сразу. Шостак теперь подозревает, что большинство попыток сделать молекулы жизни и собрать их в живые клетки провалились по одной причине: эксперименты были слишком чистыми.
На каких животных охотились собаки 1000 лет назад? Ученые использовали несколько химических веществ, которые были им интересны, и оставляли все прочие, которые тоже, вероятно, присутствовали на ранней Земле. Но работа Сазерленда показала, что добавляя больше химических вещей в смесь, можно создать больше сложных явлений. Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался разместить фермент РНК в своих протоклетках. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембраны протоклеток. Решение оказалось на удивление простым. Вместо того чтобы делать везикулы из одной только жирной кислоты, их сделали из смеси обоих веществ. Новые, «грязные» везикулы справлялись с магнием и могли размещать работающие ферменты РНК. Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли включать беспорядок. В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаику» молекул, которая выглядит и ведет себя почти как чистая РНК.
Мы не знаем, существовали они на Земле или нет, но если да, то первые организмы вполне могли использовать и их. Это уже был не «мир РНК», а «мир вперемешку». Урок этих исследований в том, что сделать первую клетку может быть было не так сложно, как кажется. Да, клетки — сложные машины. Но оказывается, что они продолжают работать, хоть и не так хорошо, если их слепить небрежно, как снежок. Кажется, что такие неуклюжие клетки не имели шансов выжить на ранней Земле. Но у них практически не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, поэтому во многих отношениях жизни было проще, чем сейчас.
Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий
| ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул | Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами (рибозимами). |
| Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира | Суть гипотезы РНК-мира заключается в том, что первые формы жизни на Земле могли состоять из РНК-молекул, способных к самовоспроизведению без помощи белковых ферментов. |
| Появилась новая гипотеза возникновения ДНК и РНК - Телеканал "Наука" | Проблемы гипотезы РНК-мира, по А.С. Спирину: КОГДА, ГДЕ И В КАКИХ УСЛОВИЯХ МОГ ВОЗНИКНУТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИРОВАТЬ МИР РНК? |
| Ученые нашли новые доказательства РНК-мира - Газета России | Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». |
| Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира | 01.04.2024 | NVL | Одной из главных теорий является гипотеза "РНК-мира", согласно которой первые формы жизни возникли благодаря РНК-репликазе, способной копировать себя и другие молекулы РНК. |
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Но каталитическая активность у минирибозимов значительно ниже, чем у их более длинных «собратьев». Из этого следует, что короткие рибозимы могли быть эволюционными предшественниками длинных. Рибозимные репликазы Для того, чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах рибозимы с таким видом активности не обнаружены, однако подобные молекулы были созданы искусственно. Молекулярные биологи из Великобритании обратили внимание на ранее известный рибозим R18, обладающий полимеразной активностью [6]. Он и стал объектом эксперимента: путём искусственной эволюции и разумного планирования из исходного рибозима были получены четыре новые молекулы с улучшенными каталитическими свойствами [7]. Дело в том, что исходный рибозим R18 обозначен на картинке буквой А был способен реплицировать лишь фрагменты РНК длиной до 20 нуклеотидов. Также им могла быть реплицирована далеко не каждая последовательность РНК, а лишь узкий круг определённых матриц [7]. Учёные пошли двумя путями: в одной серии экспериментов они пытались увеличить число оснований РНК, реплицируемых рибозимом. В результате были получены четыре новых рибозима с улучшенными свойствами. Один из них — рибозим С19, который учёные смогли усовершенствовать далее.
Так был получен ещё более эффективный рибозим tC19 на рисунке под буквой С. В другой серии экспериментов учёные смогли получить рибозим, чья полимеразная активность не так сильно зависела от нуклеотидной последовательности РНК-матриц [7]. В результате, полезные свойства рибозимов tC19 и Z удалось объединить в одном, названном tC19Z. Данный рибозим способен копировать как довольно широкий круг матриц, так и достаточно длинные последовательности [7]. Интроны, способные вырезаться самостоятельно, были обнаружены в тирозиновой тРНК таких сложных организмов, как человек и цветковое двудольное растение Arabidopsis thaliana. Эти 12-ти и 20-ти нуклеотидные участки в клетке вырезаются путём сплайсинга с участием белков, однако этот интрон показал способность вырезать самого себя и без участия ферментов. РНК-переключатели Ограниченная каталитическая способность рибозимов часто становится ещё одним хлипким краеугольным камнем теории мира РНК. Критики теории считают, что тот минимум химических реакций, который необходим для осуществления метаболизма в мире РНК, не может быть обеспечен одними лишь рибозимами. Подавляющее большинство РНК-катализаторов катализируют лишь разрыв и создание фософодиэфирных связей между нуклеотидами. Кажется, что молекулы РНК со своими четырьмя весьма схожими мономерами безнадёжно проигрывают в химическом разнообразии белкам, которые имеют в своём составе 20 аминокислот, весьма различных по свойствам.
Однако не стоит забывать, что многие белковые ферменты для выполнения активной работы должны присоединить лиганды — кофакторы , — без которых ферментативная активность попросту исчезает. И здесь стоит вспомнить об РНК-перключателях или рибопереключателях англ. Что же это такое? Как известно, информация об аминокислотной последовательности белка передаётся в рибосому через мРНК. В данном случае, помимо самого гена, транскрибируется участок впереди него, на котором и расположен рибоперключатель [8]. РНК-переключатель представляет собой участок мРНК, способный связывать молекулу строго определённого вещества. После связывания переключатель меняет свою пространственную конфигурацию, что делает невозможной дальнейшую транскрипцию [8]. Важно понимать принцип работы РНК-переключателей, поэтому скажем пару слов об их устройстве. Состоит он из двух частей: из аптамера и «экспрессионной платформы». Аптамер, по сути, является рецептором, который с очень высокой селективностью связывается с определённой молекулой.
Эффекторной молекулой для аптамера является молекула, производимая белком, ген которого и регулируется переключателем. Однако существуют и РНК-переключатели, действующие по более сложному механизму. Например, рибопереключатель, контролирующий транскрипцию гена metE бактерии Bacillus clausii, является двойным, то есть имеет два рецепторных участка, связывающих две разных молекулы [9]. Разберём данный механизм подробнее. Ген metE кодирует фермент, превращающий гомоцистеин в аминокислоту метионин. Затем метионин используется уже другим ферментом для синтеза S-аденозилметионина или проще — SAM. Помимо гена metE, существует и другой ген — metН. Белок гена metН катализирует ту же реакцию, но с большей эффективностью, чем metE. Однако metН для своей работы требует кофермент — метилкобаламин или MeCbl , синтезируемый из аденозилкобаламина или AdoCbl. То есть, для выключения metE достаточно связывания с рецепторами рибопереключателя либо одной из эффекторных молекул, либо сразу обеих.
Сам механизм прерывания трансляции основан на образовании шпильки путём удаления шести нуклеотидов из рибопереключателя рис.
В присутствии матрицы и праймера ферменты Джойса могли реплицировать РНК длиной более 100 нуклеотидов. В работе 2020 года исследователи получили РНК-полимеразы класса I, способные синтезировать своего «предка» — РНК-лигазу класса I — в виде трех отдельных цепей, которые затем собирались в функциональный рибозим.
На этом примере можно понять, как работает эволюция РНК in vitro. Один из этапов эволюции РНК-полимеразы класса I —рибозима, производящего рибозимы. Credit: PNAS, 2020.
DOI: 10. На праймер отжигается матрица коричневый для синтеза участка РНК, превращающего шпильку с биотином в рибозим — молекулу РНК типа «головка молота» hammerhead , которая разрезает сама себя. Полимераза синтезирует hammerhead голубой на матрице, и вся конструкция захватывается на магнитные шарики со стрептавидином.
Если hammerhead успешно синтезирован а в нем есть участок, крайне чувствительный к ошибкам , он вносит разрез в оранжевый участок, полимераза высвобождается, подвергается обратной транскрипции и ПЦР-амплификации; затем с помощью транскрипции синтезируются дочерние молекулы полимеразы, и цикл повторяется.
А вот РНК сама способна быть ферментом, сама может осуществлять определённые химические реакции, и, как показали эксперименты, молекулы РНК вполне способны наращивать рибонуклеотидную цепь, то есть РНК может синтезировать РНК. Структура рибосомной субчастицы эукариот; разными цветами обозначены молекулы РНК и белков. Возможно, предками таких сложных молекулярных машин были маленькие комплексы небольших древних РНК и пептидов. Последние исследования говорят нам о том, что они вполне могли появиться из неорганического сырья либо же их могли принести на Землю метеориты. Но одними нуклеиновыми кислотами дело ведь не ограничилось. Потом появились белки, на которых сейчас держится почти вся клеточная биохимия. Те же белки сейчас занимаются копированием нуклеиновых кислот и синтезом других белков. Есть гипотезы, по которым белки могли возникнуть сами по себе , причём без каких-то экстремальных условий. Но как бы они ни появились, они должны были начать взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами.
Причём взаимодействовать очень тесно: всё-таки сейчас у нас информация о белках закодирована в именно ДНК и РНК, последовательности аминокислот соответствует последовательность генетических букв. Сотрудники Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана описывают в Nature , как это могло произойти.
Подписывайся 1 апреля - ГЛАС.
Новые доказательства гипотезы РНК-мира: ученые обнаружили способ самовоспроизведения молекул без участия белков Текст: Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства, подтверждающие гипотезу о существовании РНК-мира. Согласно этой гипотезе, первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, способные производить копии самих себя без участия белковых ферментов. Долгое время было неясно, как такая молекула могла возникнуть из своих предшественников, лишенных каталитической активности.