Gyvenimas prasidėjo nuo RNR

Nukleino rūgščių tyrimai yra vienas karščiausių biologijos taškų. Dėl unikalių RNR savybių jos vis plačiau naudojamos medicinoje ir technologijose. Tačiau apie tai kol kas žino tik siauras specialistų ratas.

Ribonukleino rūgščiai, dar vadinamai RNR, nepasisekė. Nepaisant didelio cheminio panašumo, jis nėra taip plačiai žinomas kaip jo artimas giminaitis DNR. Tačiau pastarųjų dvidešimties metų atradimai radikaliai pakeitė mūsų požiūrį į šių, kaip paaiškėjo, labai „įgudusių“ molekulių vaidmenį ir funkcijas. Šių atradimų vaisius buvo iš esmės nauja idėja, kad prieš šiuolaikinį gyvenimą buvo visiškai savarankiškas senovės „RNR pasaulis“.

Kaip dažniausiai būna, naujos žinios, plečiančios akiratį, sukėlė daug naujų klausimų. Kokie buvo „evoliucijos“ mechanizmai RNR pasaulyje? Kodėl, kur ir kaip atsirado DNR ir baltymai? Kaip įvyko perėjimas iš „RNR pasaulio“ į šiuolaikinį pasaulį? Akademikas Valentinas Viktorovičius Vlasovas ir jo sūnus chemijos mokslų kandidatas Aleksandras Vlasovas pasakoja skaitytojams apie vykdomas paieškas šia kryptimi.

Kodėl straipsnių cikle, skirtame gyvybės atsiradimo problemai, pasirodo straipsnis apie RNR, o ne apie kitas, labiau žinomas organines molekules – DNR ar baltymus? Mūsų skaitytojai galbūt girdėjo apie RNR, bet ką? Esame tikri, kad nieko nuostabaus – dėl vienos paprastos priežasties: kol kas tik biologai žino, kad RNR yra „stebuklingos“ molekulės, sukėlusios gyvybę. Kad senovėje naujai atvėsusioje Žemėje iškilo ir egzistavo paslaptingas „RNR pasaulis“...

Prieš eidami į „pradžios pradžią“, sukaupkime reikiamų žinių apie nukleorūgščių struktūrą - DNR(dezoksiribonukleino) ir RNR (ribonukleino). Pagal savo cheminę sudėtį RNR yra DNR, pagrindinės genetinės informacijos saugotojas gyvoje ląstelėje, dvynys, nors ir ne visiškas dvynys. Nukleorūgštys yra polimero makromolekulės, susidedančios iš atskirų vienetų - nukleotidai. Makromolekulės skeletas sudarytas iš penkių anglies cukraus molekulių, sujungtų fosforo rūgšties likučiais. Kiekviena cukraus molekulė turi vieną azoto bazę, prijungtą prie jos. Nukleotidai, kurie vienas nuo kito skiriasi tik skirtingomis azoto bazėmis, žymimi raidėmis A, U, G, C (RNR) ir A, T, G, C (DNR).

Tiesą sakant, daugelį metų niekas negalvojo apie RNR. Buvo dogma, kad yra ląstelė, yra chromosomos, kuriose yra DNR – genetinės informacijos saugotoja.
Galiausiai baltymai sintetinami ribosomose. O RNR yra kažkur tarp jų, informacijos iš DNR nešėja – ir viskas. Ir tada pradėjo plūsti atradimai, kurie privertė į RNR pažvelgti visiškai kitaip. Pagrindinis skirtumas tarp nukleino rūgščių yra jų angliavandenių komponentas. RNR cukrus yra ribozė, o DNR – deoksiribozė: kur DNR turi vandenilio atomą (H), RNR turi hidroksi grupę (OH). Tokių nedidelių skirtumų rezultatai neįgudusiai akiai yra stulbinantys. Taigi, DNR daugiausia egzistuoja gerai žinomų standžiųjų spiralių pavidalu, kuriuose dvi DNR grandinės yra laikomos kartu susidarant vandenilinėms jungtims tarp komplementarių nukleotidų.

RNR taip pat gali sudaryti dvigrandės spirales, panašias į DNR sraigtas, tačiau daugeliu atvejų RNR egzistuoja sudėtingose ​​spiralinėse struktūrose. Šios struktūros susidaro ne tik dėl minėtų vandenilinių ryšių tarp skirtingų RNR sekcijų susidarymo, bet ir dėl ribozės hidroksi grupės, kuri gali sudaryti papildomus vandenilinius ryšius ir sąveikauti su fosforo rūgštimi bei metalų jonais. Rutulinės RNR struktūros ne tik savo išvaizda primena baltymų struktūras, bet ir artimos joms savybėmis: gali sąveikauti su įvairiausiomis molekulėmis – tiek mažomis, tiek polimerinėmis.

Kas laikomas „gyvu“?

Kodėl RNR vadiname esamos gyvybės motina? Norėdami atsakyti į šį klausimą, išsiaiškinkime, kur yra riba tarp gyvo ir negyvojo.

Kadangi gyvybės atsiradimo problemą sprendžia įvairių sričių mokslininkai, kiekvienas iš jų veikia pagal jam artimą mokslą. Chemikai tikrai prisimins žodį „katalizatorius“, matematikai - „informacija“. Biologai suskaičiuos gyvas sistema, kurioje yra medžiaga (genetinė programa), kurią galima kopijuoti (arba, paprasčiau tariant, padauginti). Kartu būtina, kad tokio kopijavimo metu gali atsirasti tam tikrų paveldimos informacijos pokyčių ir atsirasti naujų sistemų variantų, t.y. turi būti galimybė evoliucija. Biologai taip pat pastebės, kad tokios sistemos turi būti erdviškai izoliuotos. Priešingu atveju atsiradusios pažangesnės sistemos negalės pasinaudoti savo privalumais, nes jų efektyvesni katalizatoriai ir kiti gaminiai laisvai „plauks“ į aplinką.

Kaip pirmosios molekulinės sistemos buvo atskirtos nuo jų aplinkos? Pavyzdžiui, molekulių kolonijos gali būti laikomos kartu adsorbuojant mineralinį paviršių arba dulkių daleles. Tačiau gali būti, kad net pačios primityviausios sistemos turėjo, kaip ir šiuolaikinės gyvos ląstelės, tikrą membraninį apvalkalą. Faktas yra tas, kad toks „protocelis“ su lipidine membrana gali būti suformuotas labai paprastai. Daugelis molekulių su įkrautomis grupėmis (pavyzdžiui, riebalų rūgštys) sudaro mikroskopinius burbulus vandeninėje aplinkoje - liposomos. Šį žodį turėtų gerai žinoti nemaža pusė mūsų skaitytojų: liposomos plačiai naudojamos kosmetiniuose kremuose – mažytės riebalų kapsulės pripildytos vitaminų ir kitų biologiškai aktyvių medžiagų. Bet kuo buvo užpildyti senovės „protoceliai“? Paaiškėjo, kad būtent RNR teigia esanti „užpildas“.

Ar RNR gali viską?

Gyvenimas, be jokios abejonės, turėjo prasidėti formuojant „įgudusias“ molekules, galinčias daugintis ir atlikti visus kitus „namų darbus“, būtinus ląstelei egzistuoti. Tačiau nei DNR, nei baltymai tokiems meistrams netinka. DNR yra puiki genetinės informacijos saugykla, tačiau ji pati negali daugintis. Baltymai yra tobuli katalizatoriai, bet negali veikti kaip „genetinės programos“. Iškyla vištienos ir kiaušinio paradoksas: DNR nesusidaro be baltymų, o baltymai – be DNR. Ir tik RNR, kaip paaiškėjo, gali VISKAS. Bet neaplenkime savęs.

Panagrinėkime seniai žinomas RNR funkcijas, susijusias su darbu ( išraiška) genas ląstelėje. Įjungus geną, pirmiausia įvyksta vietinis DNR išsivyniojimas ir susintetinama genetinės programos RNR kopija. Dėl sudėtingo apdorojimo specialiais baltymais gaunama pasiuntinio RNR ( mRNR), kuri yra baltymų sintezės programa. Ši RNR iš branduolio perkeliama į ląstelės citoplazmą, kur jungiasi prie specialių ląstelių struktūrų – ribosomos, tikros molekulinės baltymų sintezės „mašinos“. Baltymai sintetinami iš aktyvuotų aminorūgščių, prijungtų prie specialių pernešimo RNR (tRNR), o kiekviena aminorūgštis yra prijungta prie savo specifinės tRNR. tRNR dėka aminorūgštis fiksuojama kataliziniame ribosomos centre, kur „prisiūta“ prie susintetintos baltymų grandinės. Iš nagrinėjamos įvykių sekos aišku, kad RNR molekulės atlieka pagrindinį vaidmenį dekoduojant genetinę informaciją ir baltymų biosintezę.

Kuo labiau gilinomės į įvairių biosintezės procesų tyrimą, tuo dažniau buvo aptiktos anksčiau nežinomos RNR funkcijos. Paaiškėjo, kad be proceso transkripcijos(RNR sintezė kopijuojant DNR sekciją) kai kuriais atvejais, priešingai, DNR sintezė gali vykti RNR šablonuose. Šis procesas, vadinamas atvirkštinė transkripcija, juos besivystant naudoja daugelis virusų, įskaitant žinomus onkogeninius virusus ir AIDS sukeliantį ŽIV-1.

Taigi paaiškėjo, kad genetinės informacijos srautas nėra, kaip iš pradžių manyta, vienakryptis – nuo ​​DNR iki RNR. Pradėta abejoti DNR, kaip iš pradžių pagrindinės genetinės informacijos nešėjos, vaidmeniu. Be to, daugelis virusų (gripo, erkinio encefalito ir kitų) visiškai nenaudoja DNR kaip genetinės medžiagos, jų genomas yra sudarytas tik iš RNR. Ir tada vienas po kito atėjo atradimai, kurie privertė į RNR pažvelgti visiškai kitaip.

Apie visas „molekules“ meistras

Labiausiai nustebino RNR katalizinio gebėjimo atradimas. Anksčiau buvo manoma, kad reakcijas gali katalizuoti tik baltymai ir fermentai. Pavyzdžiui, mokslininkai negalėjo išskirti fermentų, kurie supjausto ir susieja kai kurias RNR. Po ilgų tyrimų paaiškėjo, kad RNR puikiai tai daro pačios. RNR struktūros, kurios veikia kaip fermentai, vadinamos ribozimai(pagal analogiją su fermentai, katalizatorių baltymai). Netrukus buvo atrasta daugybė ribozimų. Jie ypač plačiai naudojami manipuliuoti savo RNR virusais ir kitais paprastais infekciniais agentais. Taigi RNR pasirodė esąs visų profesijų domkratai: gali veikti kaip paveldimos informacijos nešiotojai, tarnauti kaip katalizatoriai, transportuoti aminorūgštis ir sudaryti labai specifinius kompleksus su baltymais.

Galutinis įsitikinimas, kad „RNR pasaulis“ tikrai egzistuoja, atsirado po to, kai buvo atskleistos ribosomų kristalų struktūros detalės naudojant rentgeno spindulių difrakcijos analizę. Mokslininkai tikėjosi ten rasti baltymą, kuris katalizuoja aminorūgščių kryžminį susiejimą į baltymų seką. Įsivaizduokite jų nuostabą, kai paaiškėjo, kad ribosomų kataliziniame centre iš viso nėra baltymų struktūrų, kad jis yra visiškai sudarytas iš RNR! Paaiškėjo, kad visus pagrindinius baltymų biosintezės etapus vykdo RNR molekulės. Diskusija apie „RNR pasaulio“ kaip ypatingo biologinės evoliucijos etapo egzistavimo galimybę buvo sustabdyta.

Žinoma, visą vaizdą dar reikia atkurti – liko daug neišspręstų klausimų. Pavyzdžiui, šiuolaikinėje ląstelėje aminorūgščių aktyvavimą ir jų prijungimą prie atitinkamų tRNR vykdo specifiniai fermentų baltymai. Kyla klausimų: ar ši reakcija gali būti vykdoma nedalyvaujant baltymams, tik naudojant RNR? Ar pačios RNR galėtų katalizuoti RNR sintezę iš nukleotidų arba azoto bazių pridėjimą prie cukraus? Apskritai, atradus ribozimus, tokie potencialūs RNR gebėjimai nebekėlė jokių abejonių. Tačiau mokslas reikalauja, kad hipotezės būtų patvirtintos eksperimentiškai.

Darvino evoliucija mėgintuvėlyje

Geras metodas dažnai gali sukelti mokslo revoliuciją. Būtent tai galima pasakyti apie metodą polimerazės grandininė reakcija (PGR), kuri leidžia nukleino rūgštims daugintis neribotais kiekiais. Trumpai apibūdinkime metodo esmę. Norint padauginti DNR PGR metodu, naudojami DNR fermentai. polimerazės, t.y. tie patys fermentai, kurie ląstelių dauginimosi metu iš aktyvuotų nukleotidų monomerų sintetina papildomas DNR grandines.

PGR metodu aktyvuotų nukleotidų, fermento DNR polimerazės ir vadinamųjų mišinio gruntai- oligonukleotidai, papildantys replikuojamos DNR galus. Kai tirpalas kaitinamas, DNR grandinės atsiskiria. Tada, atvėsus, prie jų prisijungia gruntai, sudarydami trumpus spiralinių struktūrų fragmentus. Fermentas prijungia nukleotidus prie pradmenų ir surenka grandinę, kuri yra komplementari pradinei DNR grandinei. Dėl reakcijos iš vienos susidaro dvi dvigrandės DNR. Jei pakartosite procesą, gausite keturias grandines, o po n pakartojimų gausite 2n DNR molekulių. Viskas labai paprasta.

PGR išradimas ir cheminės DNR sintezės metodų sukūrimas leido sukurti nuostabią molekulinio veisimo technologiją. Molekulinės atrankos principas taip pat paprastas: pirma, susintetinama daug skirtingų savybių molekulių (vadinamoji. molekulinė biblioteka), o tada iš šio mišinio parenkamos reikiamą savybę turinčios molekulės.

Nukleino rūgščių bibliotekos yra vienodo ilgio molekulių, kurios skiriasi nukleotidų seka, mišiniai. Juos galima gauti, jei cheminės sintezės metu automatiniame sintezatoriuje visi keturi nukleotidai pridedami vienu metu kiekviename nukleotidų sekos pratęsimo etape. Kiekvienas iš jų vienoda tikimybe bus įtrauktas į augančią nukleino rūgštį, todėl kiekviename sujungimo etape bus 4 sekos variantai. Jei tokiu būdu susintetinama n vienetų ilgio nukleorūgštis, gautų molekulių įvairovė bus 4 laipsniu n. Kadangi paprastai naudojamos 30–60 monomerų ilgio sekcijos, sintezės metu gaunama nuo 4 30 iki 4 60 skirtingų molekulių! Skaičiai, žinomi tik astronomams.

Kadangi, priklausomai nuo jų sudėties, nukleino rūgštys yra sulankstytos į skirtingas erdvines struktūras, statistinių sekų sintezė sukuria daugybę molekulių, kurios skiriasi savybėmis. RNR nuskaitoma iš gautos DNR naudojant fermentą RNR polimerazę. Rezultatas yra vienos grandinės RNR biblioteka. Toliau atliekama atrankos procedūra: RNR tirpalas praleidžiamas per kolonėlę, kurioje yra netirpus nešiklis su chemiškai prijungtomis tikslinėmis molekulėmis, siekiant „pagauti“ vadinamąją ateitį. aptamer, ty RNR, galinti surišti tam tikras molekules. Tada kolonėlė nuplaunama, kad būtų pašalinta nesusijusi RNR, o tada RNR, likusi ant kolonėlės prisijungus prie tikslinių molekulių, nuplaunama (tai galima padaryti, pavyzdžiui, kaitinant kolonėlę).

Iš izoliuotos RNR, naudojant atvirkštinę transkripciją, daromos DNR kopijos ir iš jų gaunamos paprastos dvigrandės DNR molekulės. Iš pastarųjų galima nuskaityti norimus RNR aptamerius, o po to neribotais kiekiais dauginti PGR. Žinoma, tai atsitinka idealiu atveju, praktiškai viskas pasirodo sudėtingiau. Paprastai originaliame RNR preparate yra didžiulis „svetimų“ molekulių perteklius, kurio sunku atsikratyti. Todėl gauta RNR vėl ir vėl praleidžiama per kolonėlę, kad būtų išskirta RNR, kuri sudaro stipriausius kompleksus su tikslinėmis molekulėmis.

Taikant šį metodą, buvo gauta tūkstančiai skirtingų RNR aptamerių, kurie sudaro specifinius kompleksus su įvairiais organiniais junginiais ir molekulėmis.

Nagrinėjama molekulinės atrankos schema gali būti naudojama bet kokių savybių turinčioms molekulėms gauti. Pavyzdžiui, buvo gautos RNR, kurios galėjo katalizuoti RNR ir baltymų sintezės reakcijas: azoto bazių pridėjimą prie ribozės, RNR grandinių aktyvuotų nukleotidų polimerizaciją ir aminorūgščių pridėjimą prie RNR. Šie tyrimai dar kartą patvirtino, kad ikibiologinės evoliucijos sąlygomis RNR molekulės gali atsirasti iš atsitiktinių polimerų.
su specifinėmis struktūromis ir funkcijomis.

Užsisakykite!

Molekulinės atrankos metodas turi labai didelį potencialą. Su jo pagalba galite išspręsti reikalingų molekulių paieškos problemas, net jei iš pradžių neįsivaizduojate, kaip tokios molekulės turėtų būti struktūrizuotos. Tačiau jei sugalvosite atrankos procedūrą, jas galima identifikuoti pagal reikiamų savybių principą, o tada galime spręsti klausimą, kaip šios savybės pasiekiamos. Parodykime tai pavyzdžiu, kaip atskirti RNR, galinčias prisijungti prie ląstelių membranų ir moduliuoti jų pralaidumą.

Senovės ribocitai turėjo absorbuoti „maistingąsias medžiagas“ iš aplinkos, pašalinti medžiagų apykaitos atliekas ir dalytis dauginimosi metu.
Ir visi šie procesai reikalauja kontroliuoti membranos pralaidumą. Kadangi manome, kad ribocituose nebuvo kitų funkcinių molekulių, išskyrus RNR, dalis RNR turėjo sąveikauti su membranomis. Tačiau cheminiu požiūriu jie visiškai netinkami membranų pralaidumo reguliatorių vaidmeniui.

Šiuolaikinių ląstelių ir liposomų membranos, pagamintos iš riebalų rūgščių, turi neigiamą krūvį. Kadangi RNR taip pat yra neigiamai įkrauta, pagal Kulono dėsnį jos turėtų būti atstumtos nuo lipidų paviršiaus ir, be to, negali prasiskverbti giliai į lipidų sluoksnį. Vienintelis žinomas nukleino rūgščių sąveikos su membranų paviršiumi būdas yra dvigubai įkrauti metalų jonai. Šie teigiamai įkrauti jonai gali veikti kaip tilteliai, išsidėstę tarp neigiamą krūvį turinčių grupių membranos paviršiuje ir nukleorūgšties fosfato grupių. Kadangi tokios jungiamosios sąveikos yra gana silpnos, tik labai didelė nukleorūgštis gali liestis su membrana dėl daugybės silpnų jungčių su membranos paviršiumi. Taigi mažieji priešai pririšo Guliverį prie žemės daugybe plonų virvių.

Čia mokslininkams padėjo molekulinės atrankos metodas. Iš RNR bibliotekos buvo galima išskirti keletą molekulių, kurios labai sėkmingai prisijungė prie membranų, o esant pakankamai didelei koncentracijai, jas netgi sulaužė! Šios RNR turėjo neįprastų savybių. Atrodė, kad jie padėjo vienas kitam: skirtingų tipų molekulių mišinys daug geriau jungiasi su membranomis nei to paties tipo molekulės. Viskas paaiškėjo ištyrus antrines šių RNR struktūras. Paaiškėjo, kad juose yra kilpų su viena kitą papildančiais regionais. Dėl šių sričių „membranos“ RNR gali sudaryti bendruomenės kompleksus, kurie gali sudaryti daugybę kontaktų su membrana ir padaryti tai, ko negali padaryti viena RNR molekulė.

Šis veisimo eksperimentas parodė, kad RNR turi papildomą būdą įgyti naujų savybių formuojant sudėtingus supramolekulinius kompleksus. Šis mechanizmas taip pat gali būti naudojamas besivystančioms RNR sistemoms išlaikyti kaip kolonijas ant paviršių dar prieš tai, kai šios sistemos įgijo izoliacinę membraną.

„RNR pasaulis“: buvo, yra ir bus!

Daugybė įrodymų rodo, kad „RNR pasaulis“ iš tikrųjų egzistavo. Tiesa, iki galo neaišku, kur. Kai kurie ekspertai mano, kad pradiniai evoliucijos etapai Žemėje neįvyko, kad į Žemę buvo atgabentos jau funkciškai aktyvios sistemos, prisitaikiusios prie vietinių sąlygų. Tačiau su chemikalais
ir biologiniu požiūriu tai nekeičia reikalo esmės. Bet kokiu atveju lieka paslaptis, kokių procesų aplinkoje susiformavo ribocitai ir dėl kokių komponentų jie egzistavo. Juk ribocitų gyvavimui reikalingi nukleotidai yra sudėtingos molekulės. Sunku įsivaizduoti, kad šios medžiagos galėtų susidaryti prebiotikų sintezės sąlygomis.

Gali būti, kad senovės RNR gerokai skyrėsi nuo šiuolaikinių. Deja, šių senovės RNR pėdsakų negalima aptikti eksperimentiškai. Net ir anų laikų uolos seniai „ištrupėjo į smėlį“. Todėl galime kalbėti tik apie eksperimentinį procesų, galinčių vykti ankstyviausiose molekulinės evoliucijos stadijose, modeliavimą.

Kodėl įvyko perėjimas iš „RNR pasaulio“ į šiuolaikinį pasaulį? Baltymai, turintys daug didesnį cheminių grupių spektrą nei RNR, yra geresni katalizatoriai ir struktūriniai elementai. Matyt, kai kurios senovės RNR pradėjo naudoti baltymų molekules kaip „įrankius“. Tokios RNR, kurios taip pat galėjo sintetinti naudingas molekules iš aplinkos savo tikslams, gavo pranašumų dauginantis. Atitinkami aptamerai ir ribozimai buvo parinkti natūraliai.
Ir tada evoliucija padarė savo darbą: atsirado vertimo aparatas, ir palaipsniui atsakomybė už katalizę perėjo baltymams. Įrankiai pasirodė tokie patogūs, kad išstūmė savo „šeimininkus“ iš daugelio veiklos sričių.

Skaitytojas turi teisę paklausti: kodėl išvis reikia tirti RNR evoliuciją, juk senovės „RNR pasaulis“ išnyko? Ar tikrai tik dėl „grynojo meno“, fanatiškų tyrinėtojų interesų tenkinimo? Tačiau nežinant praeities neįmanoma suprasti dabarties. RNR evoliucijos ir galimybių tyrimas gali pasiūlyti naujas kryptis ieškant procesų, vykstančių šiuolaikinėse gyvose ląstelėse. Pavyzdžiui, visai neseniai buvo atrastos galingos genų aktyvumo reguliavimo sistemos, kuriose dalyvauja dvigrandė RNR, kurių pagalba ląstelė apsisaugo nuo virusinių infekcijų. Ši senovinė ląstelių gynybos sistema greičiausiai bus pritaikyta terapijoje.

Todėl nenuostabu, kad mūsų laikais nukleorūgščių tyrimai tebėra vienas karščiausių molekulinės biologijos taškų. Dėl unikalių RNR savybių jos vis plačiau naudojamos medicinoje ir technologijose. „RNR pasaulis“, atsiradęs neatmenamais laikais, ne tik egzistuos nematomas
mūsų ląstelėse, bet ir atgimti naujų biotechnologijų pavidalu.

Redakcija dėkoja Cheminės biologijos ir fundamentaliosios medicinos instituto darbuotojams
SB RAS k.kh. n. V. V. Kovalya, dr. n. S.D. Myzinas ir K.H. n. A. A. Bondarui už pagalbą rengiant straipsnį

Nėra visuotinai priimto gyvenimo apibrėžimo. Mes žinome tik vieną gyvybę – žemiškąjį gyvenimą, ir nežinome, kurios iš jo savybių apskritai yra privalomos kokiam nors gyvenimui. Galima numanyti dvi tokias savybes. Tai, pirma, yra paveldimos informacijos buvimas, antra, aktyvus funkcijų, skirtų savęs priežiūrai ir dauginimuisi, įgyvendinimas, taip pat energijos, reikalingos visam šiam darbui atlikti, gavimas.

Visa gyvybė Žemėje susidoroja su šiomis užduotimis naudodama tris sudėtingų organinių junginių klases: DNR, RNR ir baltymus. DNR ėmėsi pirmosios užduoties – saugoti paveldimą informaciją. Baltymai yra atsakingi už antrąjį: jie atlieka visų tipų aktyvų „darbą“. Jų darbo pasidalijimas labai griežtas.

Trečiosios medžiagų klasės – RNR – molekulės tarnauja kaip tarpininkai tarp DNR ir baltymų, užtikrinančios paveldimos informacijos skaitymą. RNR pagalba baltymai sintetinami pagal DNR molekulėje įrašytas „instrukcijas“. Kai kurios RNR atliekamos funkcijos yra labai panašios į baltymų (aktyviai dirba skaitydamos genetinį kodą ir sintetindamos baltymus), kitos primena DNR funkcijas (informacijos saugojimas ir perdavimas). Ir RNR visa tai daro ne viena, o su aktyvia baltymų pagalba. Iš pirmo žvilgsnio RNR atrodo kaip „trečiasis ratas“. Iš principo nesunku įsivaizduoti organizmą, kuriame RNR visai nėra, o visos jo funkcijos yra padalytos tarp DNR ir baltymų. Tiesa, tokių organizmų gamtoje nėra.

Kuri iš trijų molekulių pasirodė pirmoji? Kai kurie mokslininkai sakė: žinoma, baltymai, nes jie atlieka visą darbą gyvoje ląstelėje, be jų gyvenimas neįmanomas. Jiems buvo prieštaraujama: baltymai negali saugoti paveldimos informacijos, o be to gyvenimas dar labiau neįmanomas! Taigi DNR buvo pirmoje vietoje!

Situacija atrodė netirpi: DNR nieko gero be baltymų, baltymai nenaudingi be DNR. Paaiškėjo, kad jie turėjo pasirodyti kartu, tuo pačiu metu, ir tai sunku įsivaizduoti. Šiuose ginčuose „papildoma“ RNR buvo beveik pamiršta.

Tačiau vėliau paaiškėjo, kad daugelis virusų saugo paveldimą informaciją RNR molekulių, o ne DNR pavidalu. Bet tai buvo laikoma kuriozu, išimtimi. Revoliucija įvyko XX amžiaus devintajame dešimtmetyje, kai buvo atrasti ribozimai - RNR molekulės, turinčios katalizinių savybių. Ribozimai yra RNR, kurios atlieka aktyvų darbą, tai yra, ką turėtų daryti baltymai.

Dėl to RNR tapo „beveik nereikalinga“ į „beveik būtina“. Paaiškėjo, kad ji ir tik ji gali vienu metu atlikti abi pagrindines gyvenimo užduotis – kaupti informaciją ir aktyviai dirbti. Tapo aišku, kad galimas visavertis gyvas organizmas, neturintis nei baltymų, nei DNR, kuriame visas funkcijas atlieka tik RNR molekulės. Žinoma, DNR geriau saugo informaciją, o baltymai geriau „veikia“, bet tai yra detalės. RNR organizmai vėliau galėtų įsigyti baltymų ir DNR, bet iš pradžių apsieina be jų.

Taip atsirado RNR pasaulio teorija, pagal kurią pirmosios gyvos būtybės buvo RNR organizmai be baltymų ar DNR. O pirmasis būsimo RNR organizmo prototipas galėtų būti autokatalizinis ciklas, suformuotas iš savaime besidauginančių RNR molekulių – ribozimų, galinčių katalizuoti savo kopijų sintezę.

Asmeniškai aš manau, kad RNR pasaulio teorija yra vienas iškiliausių teorinės minties laimėjimų biologijoje. Tiesą pasakius, apie tai galėjome pagalvoti anksčiau. Juk nuo XX amžiaus 60-ųjų žinomi dviejų tipų ribozimai, nors tada jie ribozimais nebuvo vadinami. Tai ribosominės RNR (rRNR), iš kurių gaminamos molekulinės vertimo (baltymų sintezės) „mašinos“ – ribosomos, ir pernešančios RNR (tRNR), kurios transliacijos metu į ribosomas atneša reikiamas aminorūgštis.

RNR pasaulio teorija, iš pradžių grynai spekuliacinė, greitai „apauga“ eksperimentiniais duomenimis. Chemikai išmoko gaminti ribozimus su beveik bet kokiomis norimomis savybėmis. Tai daroma taip. Pavyzdžiui, norime sukurti RNR molekulę, kuri galėtų tiksliai atpažinti medžiagą X ir prie jos prisijungti. Tam susintetinama daugybė skirtingų RNR grandinių, kurios atsitiktine tvarka jungiasi tarpusavyje ribonukleotidus. Tirpalas, kuriame yra gautas RNR molekulių mišinys, pilamas ant paviršiaus, padengto medžiaga X. Po to belieka atrinkti ir ištirti tas RNR molekules, kurios prilipo prie paviršiaus. Technologija paprasta, bet tikrai veikia. Maždaug tokiu būdu gaunami ribozimai, kurie katalizuoja nukleotidų sintezę, jungia aminorūgštis prie RNR ir atlieka daug kitų biocheminių funkcijų.

RNR pasaulis yra hipotetinis gyvybės atsiradimo Žemėje etapas, kai ribonukleino rūgšties molekulių ansambliai atliko ir genetinės informacijos saugojimo, ir cheminių reakcijų katalizuojančią funkciją. Vėliau iš jų asociacijų atsirado šiuolaikinė DNR-RNR-baltymų gyvybė, izoliuota membrana nuo išorinės aplinkos. Pirmą kartą RNR pasaulio idėją 1968 m. pasiūlė Carl Woese, vėliau ją sukūrė Leslie Orgel, o galiausiai 1986 m. suformulavo Walteris Gilbertas.

Santrauka

Gyvuose organizmuose beveik visi procesai vyksta daugiausia dėl baltymų fermentų. Tačiau baltymai negali savaime daugintis ir yra sintetinami de novo ląstelėje, remiantis DNR esančia informacija. Tačiau DNR padvigubėja tik dėl baltymų ir RNR dalyvavimo. Susidaro užburtas ratas, dėl kurio spontaniškos gyvybės susidarymo teorijos rėmuose reikėjo pripažinti ne tik abiogeninės abiejų klasių molekulių sintezės, bet ir spontaniško komplekso atsiradimo svarbą. jų tarpusavio santykių sistema.

Devintojo dešimtmečio pradžioje T. Check ir S. Altman laboratorijoje JAV buvo atrastas RNR katalizinis gebėjimas. Analogiškai su fermentais RNR katalizatoriai buvo vadinami ribozimais, o už jų atradimą Thomas Check 1989 metais buvo apdovanotas Nobelio chemijos premija. Be to, paaiškėjo, kad aktyviame ribosomų centre yra daug rRNR. RNR taip pat gali sukurti dvigubą grandinę ir savaime replikuotis.

Tačiau RNR gali egzistuoti visiškai autonomiškai, katalizuodama „metabolines“ reakcijas, pavyzdžiui, naujų ribonukleotidų sintezę ir savaime daugindamasi, palaikydama katalizines savybes nuo „kartos“ iki „kartos“. Dėl atsitiktinių mutacijų kaupimosi atsirado RNR, kurios katalizuoja tam tikrų baltymų sintezę, kurios yra efektyvesni katalizatoriai, todėl šios mutacijos buvo fiksuotos natūralios atrankos metu. Kita vertus, atsirado specializuotos genetinės informacijos saugyklos – DNR. RNR liko tarp jų kaip tarpininkas.

RNR vaidmuo šiuolaikiniame pasaulyje

RNR pasaulio pėdsakai išlieka šiuolaikinėse gyvose ląstelėse, o RNR dalyvauja itin svarbiuose ląstelių gyvenimo procesuose:

1) Pagrindinis energijos nešėjas ląstelėse – ATP – yra ribonukleotidas, o ne dezoksiribonukleotidas.

2) Baltymų biosintezė beveik visiškai vykdoma naudojant įvairių tipų RNR:

· pasiuntinių RNR yra baltymų sintezės ribosomose šablonas;

· perneša RNR aminorūgštis į ribosomas ir įgyvendina genetinį kodą;

· Ribosominė RNR yra aktyvus ribosomų centras, katalizuojantis peptidinių jungčių tarp aminorūgščių susidarymą.

3) RNR taip pat yra labai svarbi DNR replikacijai:

· norint pradėti DNR dubliavimosi procesą, reikalingas RNR pradmuo (pradmuo);

· begaliniam DNR padvigubėjimui, neribotam Hayflick ribos, eukariotinėse ląstelėse galines chromosomų dalis (telomeras) nuolat atkuria fermentas telomerazė, apimanti RNR šabloną.

4) Atvirkštinės transkripcijos procese informacija iš RNR perrašoma į DNR.

5) RNR brendimo procese naudojamos įvairios RNR, kurios nekoduoja baltymų, įskaitant mažas branduolines RNR ir mažas branduolines RNR.

Tuo pačiu metu daugelis virusų saugo savo genetinę medžiagą RNR pavidalu ir tiekia nuo RNR priklausomą RNR polimerazę užkrėstai ląstelei jos replikacijai.

Abiogeninė RNR sintezė

Abiogeninė RNR sintezė iš paprastesnių junginių eksperimentiškai nebuvo iki galo įrodyta. 1975 m. Manfredas Samperis ir Rudigeris Lewsas Eigeno laboratorijoje įrodė, kad mišinyje, kuriame visiškai nėra RNR, bet yra tik nukleotidai ir Qβ replikazė, tam tikromis sąlygomis gali savaime atsirasti savaime besidauginanti RNR.

2009 m. Mančesterio universiteto mokslininkų grupei, vadovaujamai Johno Sutherlando, pavyko pademonstruoti galimybę dideliu efektyvumu sintetinti uridiną ir citidiną bei reakcijos rezultato konsolidacijos laipsnį (taip pat galimybę kaupti galutinį poveikį). produktai) ankstyvosios Žemės sąlygomis. Tuo pačiu metu, nors abiogeninė purino bazių sintezė buvo įrodyta gana seniai (ypač adeninas yra vandenilio cianido rūgšties pentameras), jų glikozilinimas su laisva adenozino ir guanozino riboze iki šiol buvo įrodytas tik neveiksmingu būdu.

RNR evoliucija

RNR molekulių gebėjimas vystytis buvo aiškiai įrodytas daugybe eksperimentų. Dar prieš atrandant RNR katalizinį aktyvumą, tokius eksperimentus atliko Leslie Orgel su kolegomis Kalifornijoje. Į mėgintuvėlį su RNR buvo įdėtas nuodas – etidžio bromidas, kuris slopina RNR sintezę. Iš pradžių nuodai sulėtino sintezės greitį, tačiau po maždaug devynių „mėgintuvėlių kartų“ evoliucijos natūralios atrankos būdu buvo sukurta nauja nuodams atspari RNR rūšis. Paeiliui padvigubinant nuodų dozes, buvo sukurta RNR veislė, kuri buvo atspari labai didelėms koncentracijoms. Iš viso eksperimento metu pasikeitė 100 mėgintuvėlių kartų (ir daug daugiau RNR kartų, nes kartos keitėsi ir kiekviename mėgintuvėlyje). Nors šiame eksperimente RNR replikazę į tirpalą pridėjo patys eksperimentuotojai, Orgelis atrado, kad RNR taip pat gali spontaniškai kopijuoti, nepridedant fermento, nors ir daug lėčiau.

Vėliau vokiečių Manfredo Eugeno mokyklos laboratorijoje buvo atliktas papildomas eksperimentas. Jis atrado spontanišką RNR molekulės susidarymą mėgintuvėlyje su substratu ir RNR replikaze. Jis buvo sukurtas palaipsniui didėjant evoliucijai.

Po to, kai buvo atrastas RNR (ribozimų) katalizinis aktyvumas, jų evoliucija automatizuotame, kompiuteriu valdomame įrenginyje buvo stebima Briano Pegelio ir Geraldo Joyce'o eksperimentuose Scripps tyrimų institute Kalifornijoje 2008 m. Atrankos slėgio vaidmenį vaidinantis veiksnys buvo ribotas substratas, į kurį įeina oligonukleotidai, kuriuos atpažino ir prie savęs prijungė ribozimas, ir nukleotidai, skirti RNR ir DNR sintezei. Konstruojant kopijas kartais pasitaikydavo defektų – mutacijų, turinčių įtakos jų kataliziniam aktyvumui (kad procesas būtų pagreitintas, mišinys keletą kartų mutavo naudojant polimerazės grandininę reakciją, naudojant „netikslius“ polimerazes). Tuo remiantis ir vyko molekulių atranka: aplinkoje greitai ėmė dominuoti molekulės, kurios kopijuodavo greičiausiai. Tada 90% mišinio buvo pašalinta, o vietoj to buvo pridėtas naujas mišinys su substratu ir fermentais, ir ciklas kartojamas dar kartą. Per 3 dienas molekulių katalizinis aktyvumas padidėjo 90 kartų dėl vos 11 mutacijų.

Šie eksperimentai įrodo, kad pirmosios RNR molekulės neturėjo turėti pakankamai gerų katalizinių savybių. Οʜᴎ vėliau išsivystė evoliucijos metu, veikiant natūraliai atrankai.

2009 metais Kanados biochemikai iš Monrealio universiteto K. Bokovas ir S. Steinbergas, ištyrę pagrindinį Escherichia coli bakterijos ribosomos komponentą – 23S rRNR molekulę, parodė, kaip baltymų sintezės mechanizmas gali išsivystyti iš santykinai mažų ir paprasti ribozimai. Molekulė buvo suskirstyta į 60 santykinai nepriklausomų struktūrinių blokų, iš kurių pagrindinis yra katalizinis centras (peptidil-transferazės centras, PTC, peptidil-transferazės centras), atsakingas už transpeptidaciją (peptidinės jungties susidarymą). Buvo parodyta, kad visi šie blokai gali būti nuosekliai atskirti nuo molekulės, nesunaikinant likusios jos dalies, kol lieka tik transpeptidacijos centras.
Paskelbta ref.rf
Tačiau jis išlaiko gebėjimą katalizuoti transpeptidaciją. Jei kiekviena jungtis tarp molekulės blokų yra vaizduojama kaip rodyklė, nukreipta nuo bloko, kuris nesunaikinamas atskyrus, į bloką, kuris yra sunaikintas, tada tokios rodyklės nesudaro vieno uždaro žiedo. Jei jungčių kryptis būtų atsitiktinė, to tikimybė būtų mažesnė nei viena iš milijardo. Vadinasi, toks jungčių pobūdis atspindi laipsniško blokų pridėjimo seką molekulės evoliucijos metu, kurią mokslininkams pavyko detaliai rekonstruoti. Tačiau gyvybės ištakos galėjo būti gana paprastas ribozimas – 23S rRNR molekulės PTC centras, prie kurio vėliau buvo pridėti nauji blokai, pagerinantys baltymų sintezės procesą. Pats PTC susideda iš dviejų simetriškų ašmenų, kurių kiekviena turi vienos tRNR molekulės CCA "uodegą. Daroma prielaida, kad ši struktūra atsirado dubliuojant (padvigubėjus) vienam originaliam ašmeniui. Funkcinės RNR (ribozimai), galinčios katalizuoti transpeptidacija buvo gauta naudojant dirbtinės evoliucijos metodą. Šių dirbtinai gautų ribozimų struktūra labai artima protoribosomos struktūrai, kurią „apskaičiavo“ autoriai.

Objektų savybės RNR pasaulyje

Yra įvairių prielaidų apie tai, kaip atrodė savaime besidauginančios RNR sistemos. Dažniausiai postuluojama ypatinga RNR agreguojančių membranų ar RNR išsidėstymo mineralų paviršiuje ir birių uolienų porų erdvėje svarba. Dešimtajame dešimtmetyje A. B. Chetverin ir jo kolegos pademonstravo RNR gebėjimą formuoti molekulines kolonijas ant gelių ir kietų substratų, kai susidaro sąlygos replikacijai. Vyko laisvas keitimasis molekulėmis, kurios susidūrimo metu galėjo keistis dalimis, kaip parodyta eksperimentiškai. Dėl to greitai išsivystė visas kolonijų rinkinys.

Atsiradus baltymų sintezei, sėkmingiau vystėsi kolonijos, galinčios sukurti fermentus. Kolonijos tapo dar sėkmingesnės, nes susiformavo patikimesnis informacijos saugojimo DNR mechanizmas ir galiausiai buvo atskirtos nuo išorinio pasaulio lipidine membrana, kuri neleido jų molekulėms išsisklaidyti.

Išankstiniai RNR pasauliai

Biochemikas R. Shapiro kritikuoja RNR pasaulio hipotezę, manydamas, kad spontaniško katalizinių savybių turinčios RNR atsiradimo tikimybė yra labai maža. Vietoj hipotezės „pradžioje buvo RNR“, jis siūlo hipotezę „pradžioje buvo metabolizmas“, ty cheminių reakcijų kompleksų - medžiagų apykaitos ciklų analogų - atsiradimą, dalyvaujant mažos molekulinės masės junginiams. atsirandantys skyrių viduje – erdviškai apriboti spontaniškai susidariusių membranų ar kitų fazių ribų – plotų. Ši koncepcija yra artima abiogenezės hipotezei, kurią pasiūlė A. I. Oparinas 1924 m.

Kita abiogeninės RNR sintezės hipotezė, skirta išspręsti mažos įvertintos RNR sintezės tikimybės problemą, yra poliaromatinio angliavandenilio pasaulio hipotezė, pasiūlyta 2004 m., siūlanti RNR molekulių sintezę remiantis poliaromatinių žiedų krūva.

Tiesą sakant, abi „iki RNR pasaulių“ hipotezės neatmeta RNR pasaulio hipotezės, o ją modifikuoja, postuluodamos pradinę replikuojančių RNR makromolekulių sintezę pirminiuose metabolizmo skyriuose arba asocijuotų junginių paviršiuje, stumdamos „RNR“. pasaulis“ į antrąjį abiogenezės etapą.

Rusijos mokslų akademijos akademikas A.S. Spirinas mano, kad RNR pasaulis negalėjo atsirasti ir egzistuoti Žemėje, ir svarsto nežemiškos (pirmiausia kometų) atsiradimo ir RNR pasaulio evoliucijos galimybę.

Biologijos mokslų kandidatas S. GRIGOROVICH.

Ankstyviausioje istorijos aušroje, kai žmogus įgijo protą, o kartu ir gebėjimą mąstyti abstrakčiai, jis tapo nelaisvas nenugalimo poreikio viską paaiškinti. Kodėl šviečia saulė ir mėnulis? Kodėl teka upės? Kaip veikia pasaulis? Žinoma, vienas svarbiausių buvo gyvenimo esmės klausimas. Ryškus skirtumas tarp gyvųjų ir augančių bei mirusių ir nejudančių buvo per daug stulbinantis, kad būtų galima jį ignoruoti.

Pirmasis virusas, kurį D. Ivanovskis aprašė 1892 m., buvo tabako mozaikos virusas. Šio atradimo dėka tapo aišku, kad yra gyvų būtybių, primityvesnių už ląstelę.

Rusų mikrobiologas D. I. Ivanovskis (1864-1920), virusologijos įkūrėjas.

1924 metais A. I. Oparinas (1894-1980) pasiūlė, kad jaunos Žemės atmosferoje, kurią sudarė vandenilis, metanas, amoniakas, anglies dioksidas ir vandens garai, galima susintetinti aminorūgštis, kurios vėliau spontaniškai susijungė į baltymus.

Amerikiečių biologas Oswaldas Avery, atlikdamas eksperimentus su bakterijomis, įtikinamai įrodė, kad būtent nukleino rūgštys yra atsakingos už paveldimų savybių perdavimą.

Lyginamoji RNR ir DNR struktūra.

Pirmuonių organizmo Tetrahymena ribozimo dvimatė erdvinė struktūra.

Scheminis ribosomos, baltymų sintezės molekulinės mašinos, vaizdas.

„Evoliucijos in vitro“ proceso schema (Selekso metodas).

Louis Pasteur (1822-1895) pirmasis atrado, kad tos pačios medžiagos – vyno rūgšties – kristalai gali turėti dvi veidrodiškai simetriškas erdvines konfigūracijas.

1950-ųjų pradžioje Stanley Milleris iš Čikagos universiteto (JAV) atliko pirmąjį eksperimentą, imituojantį chemines reakcijas, kurios gali vykti jaunos Žemės sąlygomis.

Chiralinės molekulės, tokios kaip aminorūgštys, yra veidrodinės simetriškos, kaip ir kairiosios bei dešinės rankos. Pats terminas „chiralumas“ kilęs iš graikiško žodžio „chiros“ – ranka.

RNR pasaulio teorija.

Mokslas ir gyvenimas // Iliustracijos

Kiekvienu istorijos etapu žmonės siūlydavo savo sprendimą dėl gyvybės atsiradimo mūsų planetoje mįslės. Senovės žmonės, kurie nežinojo žodžio „mokslas“, rado paprastą ir prieinamą nežinomybės paaiškinimą: „Viską, kas yra aplinkui, kažkada kažkas sukūrė“. Taip atsirado dievai.

Nuo senovės civilizacijų gimimo Egipte, Kinijoje, vėliau šiuolaikinio mokslo lopšyje - Graikijoje, iki pat viduramžių pagrindinis pasaulio supratimo metodas buvo „autoritetų“ stebėjimai ir nuomonės. Nuolatiniai stebėjimai aiškiai rodė, kad gyviai tam tikromis sąlygomis išnyra iš negyvų dalykų: uodai ir krokodilai iš pelkių purvo, musės iš pūvančio maisto, o pelės – iš nešvarių skalbinių, apibarstytų kviečiais. Svarbu tik palaikyti tam tikrą temperatūrą ir drėgmę.

Viduramžių Europos „mokslininkai“, remdamiesi religinėmis dogmomis apie pasaulio sukūrimą ir dieviškų planų nesuvokiamumą, manė, kad ginčytis dėl gyvybės kilmės galima tik Biblijos ir religinių raštų rėmuose. To, ką Dievas sukūrė, esmė negali būti suvokiama, o gali būti „išsiaiškinta“ naudojant informaciją iš šventų tekstų arba veikiant dieviškojo įkvėpimo įtakai. Hipotezių tikrinimas tuo metu buvo laikomas blogomis manieromis, o bet koks bandymas suabejoti Šventosios Bažnyčios nuomone – nemalonus dalykas, erezija ir šventvagystė.

Gyvenimo pažinimas žymėjo laiką. Du tūkstančius metų Senovės Graikijos filosofų pasiekimai išliko mokslinės minties viršūne. Reikšmingiausi iš jų buvo Platonas (428/427 – 347 m. pr. Kr.) ir jo mokinys Aristotelis (384 – 322 m. pr. Kr.). Platonas, be kita ko, pasiūlė idėją pagyvinti iš pradžių negyvą materiją, į ją įliejus nemirtingą nematerialią sielą – „psichiką“. Taip atsirado teorija apie spontanišką gyvų būtybių susidarymą iš negyvų dalykų.

Didysis mokslo žodis „eksperimentas“ atsirado Renesanso laikais. Prireikė dviejų tūkstančių metų, kad žmogus nuspręstų suabejoti autoritetingų senovės mokslininkų teiginių nekintamumu. Vienas pirmųjų mums žinomų drąsuolių buvo italų gydytojas Francisco Redi (1626 - 1698). Jis atliko itin paprastą, bet veiksmingą eksperimentą: į kelis indus įdėjo mėsos gabalą, vienus uždengė storu audiniu, kitus – marle, kitus paliko atvirus. Tai, kad musių lervos vystėsi tik atviruose induose (kuriuose galėjo nutūpti musės), bet ne uždaruose (kuriuose vis dar turėjo prieigą prie oro), smarkiai prieštaravo Platono ir Aristotelio šalininkų įsitikinimams apie nesuvokiamą gyvybės jėgą, plūduriuojančią induose. orą ir negyvą materiją paverčiant gyva medžiaga.

Šiuo ir panašiais eksperimentais prasidėjo įnirtingų kovų tarp dviejų mokslininkų grupių – vitalistų ir mechanikų – laikotarpis. Ginčo esmė buvo klausimas: „Ar gyvų būtybių funkcionavimą (ir išvaizdą) galima paaiškinti fiziniais dėsniais, kurie galioja ir negyvajai medžiagai? Vitalistai atsakė neigiamai. „Ląstelė yra tik iš ląstelės, viskas, kas gyva, yra tik iš gyvo daikto! Ši pozicija, iškelta XIX amžiaus viduryje, tapo vitalizmo vėliava. Paradoksalu šiame ginče yra tai, kad net ir šiandien, žinodami apie mūsų kūną sudarančių atomų ir molekulių „negyvąją“ prigimtį ir iš esmės sutikdami su mechanistiniu požiūriu, mokslininkai neturi eksperimentinio patvirtinimo apie galimybę ląstelių gyvybės atsiradimas iš negyvos medžiagos. Dar niekam nepavyko „sudaryti“ net pačios primityviausios ląstelės iš „neorganinių“ „dalių“, esančių už gyvų organizmų ribų. Tai reiškia, kad galutinis taškas šiame epochiniame ginče dar turi būti nustatytas.

Taigi, kaip Žemėje galėjo atsirasti gyvybė? Dalijantis mechanikų pozicijomis, be abejo, lengviausia įsivaizduoti, kad gyvybė pirmiausia turėjo atsirasti kažkokia labai paprasta, primityviai struktūrizuota forma. Tačiau, nepaisant struktūros paprastumo, tai vis tiek turi būti Gyvenimas, tai yra kažkas, kas turi minimalų savybių rinkinį, skiriantį gyvą nuo negyvojo.

Kas tai yra, šios gyvybiškai svarbios savybės? Kuo būtent gyvenimas skiriasi nuo negyvojo?

Iki XIX amžiaus pabaigos mokslininkai buvo įsitikinę, kad viskas, kas gyva, yra sukurta iš ląstelių, ir tai yra ryškiausias skirtumas tarp jų ir negyvosios materijos. Tuo buvo tikima iki tol, kol buvo atrasti virusai, kurie, nors ir mažesni už visas žinomas ląsteles, gali aktyviai užkrėsti kitus organizmus, daugintis juose ir susilaukti palikuonių su tokiomis pat (ar labai panašiomis) biologinėmis savybėmis. Pirmąjį atrastą virusą – tabako mozaikos virusą – aprašė rusų mokslininkas Dmitrijus Ivanovskis (1864-1920) 1892 m. Nuo tada tapo aišku, kad primityvesnės būtybės nei ląstelės taip pat gali pretenduoti į teisę būti vadinamos Gyvybe.

Virusų, o vėliau ir dar primityvesnių gyvų būtybių formų – viroidų atradimas galiausiai leido suformuluoti minimalų savybių rinkinį, kuris yra būtinas ir pakankamas, kad tiriamas objektas būtų vadinamas gyvu. Pirma, jis turi sugebėti atgaminti savo rūšį. Tačiau tai nėra vienintelė sąlyga. Jei hipotetinė pirmykštė gyvybės substancija (pavyzdžiui, primityvi ląstelė ar molekulė) galėtų tiesiog sukurti tikslias savo kopijas, galiausiai ji negalėtų išgyventi kintančių jaunos Žemės aplinkos sąlygų ir formuotis kitoms, daugiau. sudėtingos formos (evoliucija) taptų neįmanomos. Vadinasi, mūsų tariamą primityvią „pirminės gyvybės substanciją“ galima apibrėžti kaip tai, kas sukurta kuo paprasčiau, bet tuo pačiu galinti keisti ir perduoti savo savybes palikuonims.

Gyvuose organizmuose beveik visi procesai vyksta daugiausia dėl baltymų fermentų. Tačiau baltymai negali savaime daugintis ir yra sintetinami de novo ląstelėje, remiantis DNR esančia informacija. Tačiau DNR padvigubėja tik dėl baltymų ir RNR dalyvavimo. Susidaro užburtas ratas, dėl kurio spontaniškos gyvybės susidarymo teorijos rėmuose reikėjo pripažinti poreikį ne tik abiogeninei abiejų klasių molekulių sintezei, bet ir spontaniškam komplekso atsiradimui. jų sujungimo sistema, kurios tikimybė itin maža.

Devintojo dešimtmečio pradžioje T. Check ir S. Altman laboratorijoje JAV buvo atrastas RNR katalizinis gebėjimas. Pagal analogiją su fermentais RNR katalizatoriai buvo vadinami ribozimais, o Thomas Check už jų atradimą 1989 metais buvo apdovanotas Nobelio chemijos premija. Be to, paaiškėjo, kad aktyviame ribosomų centre yra daug rRNR. RNR taip pat gali sukurti dvigubą grandinę ir savaime replikuotis.

Taigi RNR gali egzistuoti visiškai autonomiškai, katalizuojanti „metabolines“ reakcijas, pavyzdžiui, naujų ribonukleotidų sintezę ir savaime dauginantis, išlaikant katalizines savybes nuo „kartos“ iki „kartos“. Dėl atsitiktinių mutacijų kaupimosi atsirado RNR, kurios katalizuoja tam tikrų baltymų sintezę, kurios yra efektyvesni katalizatoriai, todėl šios mutacijos buvo fiksuotos natūralios atrankos metu. Kita vertus, atsirado specializuotos genetinės informacijos saugyklos – DNR. RNR liko tarp jų kaip tarpininkas.

Yra įvairių prielaidų apie tai, kaip atrodė savaime besidauginančios RNR sistemos. Dažniausiai postuluojamas RNR agreguojančių membranų poreikis arba RNR išdėstymas mineralų paviršiuje ir birių uolienų porų erdvėje. Dešimtajame dešimtmetyje A. B. Chetverin ir jo kolegos pademonstravo RNR gebėjimą formuoti molekulines kolonijas ant gelių ir kietų substratų, kai susidaro sąlygos replikacijai. Vyko laisvas keitimasis molekulėmis, kurios susidūrimo metu galėjo keistis dalimis, kaip parodyta eksperimentiškai. Dėl to greitai išsivystė visas kolonijų rinkinys.

Atsiradus baltymų sintezei, sėkmingiau vystėsi kolonijos, galinčios sukurti fermentus. Kolonijos tapo dar sėkmingesnės, nes susiformavo patikimesnis informacijos saugojimo DNR mechanizmas ir galiausiai buvo atskirtos nuo išorinio pasaulio lipidine membrana, kuri neleido jų molekulėms išsisklaidyti.

Biochemikas R. Shapiro kritikuoja RNR pasaulio hipotezę, manydamas, kad spontaniško katalizinių savybių turinčios RNR atsiradimo tikimybė yra labai maža. Vietoj hipotezės „pradžioje buvo RNR“, jis siūlo hipotezę „pradžioje buvo metabolizmas“, tai yra cheminių reakcijų kompleksų - medžiagų apykaitos ciklų analogų - atsiradimą, dalyvaujant mažos molekulinės masės junginiams. atsirandantys skyrių viduje – erdviškai apriboti spontaniškai susidariusių membranų ar kitų fazių ribų – plotų. Ši koncepcija yra artima abiogenezės hipotezei, kurią pasiūlė A. I. Oparinas 1924 m.

Kita abiogeninės RNR sintezės hipotezė, skirta išspręsti mažos įvertintos RNR sintezės tikimybės problemą, yra 2004 m. pasiūlyta poliaromatinio angliavandenilio pasaulio hipotezė, kurioje siūloma RNR molekulių sintezė remiantis poliaromatinių žiedų krūva.

Tiesą sakant, abi „iki RNR pasaulių“ hipotezės neatmeta RNR pasaulio hipotezės, o ją modifikuoja, postuluodami pradinę RNR makromolekulių replikacijos sintezę pirminiuose metabolizmo skyriuose arba asocijuotųjų paviršiuose, stumdamos „RNR pasaulį“ į antrasis abiogenezės etapas.