Таємниця життя майже розгадана: вчені показали шлях від молекули до білка

РНК / © Getty Images

Білки є ключовими молекулами для всього живого — вони відновлюють клітини та підтримують імунітет. Проте вчені досі шукали відповіді на запитання: як з’явилися перші білки до того, як клітини набули складного механізму синтезу?

Нове дослідження пропонує просту та безпечну для води реакцію, яка могла зв’язати первісні інгредієнти на ранніх етапах утворення білків, пише Earth.com.

Керівник проєкту, професор Метью Паунер з Університетського коледжу Лондона (UCL), наголошує: “Життя базується на взаємодії нуклеїнових кислот і білків, але походження цього зв’язку залишається загадкою”.

Команда показала, що РНК — молекула, яка зберігає генетичну інформацію і може каталізувати реакції, здатна хімічно з’єднуватися з амінокислотами, формуючи первісні білки. Зв’язування відбувається у воді при м’яких умовах, без участі ферментів.

Дослідники активували амінокислоти, надаючи їм додаткову енергію, а потім приєднали їх до певних ділянок РНК. Така реакція відбувається переважно на кінцях дволанцюгової молекули, що зменшує ризик випадкових порушень послідовностей.

Експерименти показали високий вихід амінокислот, включно з аргініном, який з’єднується з аденозином — до 76%.

Ключову роль у процесі відіграє сірка. Тіол — сірковмісна сполука, широко присутня в обміні речовин, а тіоефіри з тіолів забезпечують численні реакції в сучасних клітинах.

“Використання тіоефірів логічне для ранньої Землі: вони стабільні у воді та сприяють білковій хімії”, — пояснюють вчені. Раніші дослідження команди показали, що пантетеїн — активний фрагмент коферменту А, з якого утворюються багато біологічних тіоефірів — може формуватися у пребіотичних умовах.

Новий експеримент демонструє, як хімія сірки могла об’єднувати РНК і амінокислоти, створюючи місток між метаболізмом і перенесенням інформації.

Дослідники виявили два ключові етапи реакції. На першому тіоефіри сприяють приєднанню амінокислот до РНК, формуючи аміноацил-РНК при нейтральному pH. На другому — перетворення на тіокислоти і додавання м’якого окислювача стимулює утворення пептидного зв’язку, що дає короткі ланцюги пептидів.

Це важливий крок на шляху до білковоподібної функції, адже пептиди є короткими ланцюгами амінокислот, з яких згодом складаються білки.

Доктор Джоті Сінгх з UCL підкреслює: “Активована амінокислота, використана в дослідженні, є тіоестером — молекулою, яка зустрічається у всіх живих клітинах. Це відкриття може пов’язати метаболізм, генетичний код і синтез білка”.

Реакція відбувається у воді з нейтральним pH, що вказує на можливі місця на ранній Землі: озера, вологі береги чи дрібні водойми. Концентрації амінокислот могли бути вищими, а мінерали допомагали організовувати молекули.

Цикли заморожування концентрату у льоду також сприяли реакціям: крига видаляє сіль і концентрує розчинені речовини, прискорюючи процес без агресивних реагентів.

Професор Паунер зазначає: “Ця реакція могла відбуватися на ранній Землі. Її умови є помірними та сумісними з водним середовищем”.

Сучасні клітини виробляють білки за допомогою рибосом — рибонуклеопротеїнових комплексів, які зчитують матричну РНК і зв’язують амінокислоти за допомогою транспортних РНК.

Нове дослідження показує, що РНК здатна обробляти амінокислоти самостійно, без участі білків. Це дозволяє розв’язати давню проблему “курка чи яйце” у походженні білків.

Раніше вчені пропонували концепцію РНК-пептидного світу, де РНК і короткі пептиди коеволюціонували, утворюючи гібридні молекули, здатні рости та виконувати певні функції. Поточне відкриття демонструє ймовірний механізм, яким РНК могла подовжувати амінокислоти у водному середовищі.

Генетичний код — це система правил, що зіставляє триплети РНК із конкретними амінокислотами.

Дослідники показали, що хімія, яка надає перевагу приєднанню амінокислот до кінців РНК, могла стати основою для формування послідовностей, специфічних для певних амінокислот. Це відкриває можливість еволюційного переходу від простого хімічного зв’язування до кодування білків.

Вчені вважають, що рання РНК використовувала прості правила для створення коротких пептидних ланцюгів. З часом еволюція призвела до формування повноцінних рибосом і сучасного генетичного коду, який забезпечує точне зчитування та синтез білків у всіх живих клітинах.

Нагадаємо, раніше міжнародна група вчених встановила, як атмосфера Землі перетворилася з безкисневої газової суміші на живильне повітря, що дозволило виникнути складним організмам.