Жизнь, скорее всего, возникла в водном растворе множества разнообразных молекул. Интересно, что сложность этой смеси не была помехой: она не столько мешала, сколько способствовала появлению первых молекул чистых РНК и ДНК.
Стремясь выяснить, какие вещества привели к появлению жизни, учёные, как правило, изучают возможности чистых исходных материалов, но более действенным фактором могли оказаться грязные химические соединения.
Изучая возникновение жизни в первичном бульоне, учёные слишком рьяно облагораживали этот хаос, чтобы сделать его как можно более чистым.
Четыре миллиарда лет назад пребиотическая Земля была кучей мусора, хаотической смесью разнообразных исходных материалов. И всё же, несмотря на весь этот химический беспорядок, в нём каким-то образом смогли появиться такие необходимые для жизни молекулы, как РНК, ДНК и белки. Однако, согласно Раманараянану Кришнамурти (Ramanarayanan Krishnamurthy), химику из Научно-исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) в Калифорнии, учёные, пытаясь выяснить, как это произошло, проявили недальновидность. Они сосредоточились на исследовании лишь тех реакций, которые ведут к возникновению молекул, обнаруженных в клетках нынешних обитателей планеты, и в результате упустили из виду другие гипотезы.
«Пребиотической химии стремятся навязать биологию, — заявляет он. — Но это ошибка — пытаться получить данный конечный продукт прямо из готового сырья».
Мы, добавляет Кришнамурти, «забываем об исходной смеси», а вместе с ней — о более извилистых химических путях, способных привести к тому же биологическому результату, — о промежуточных этапах на пути к жизни, которые бесследно канули в Лету.
В общем-то, логично, что экспериментаторы оказывали предпочтение чистым и непосредственно данным веществам, синтезируя в виде крохотных кусочков и фрагментов такие важные соединения, как аминокислоты или нуклеотиды, и представляли себе жизнь как возникшую из чистых исходных элементов. «Считалось, — отметил Джон Сазерленд (John Sutherland), химик из британской Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям (MRC Laboratory of Molecular Biology), — что, если попытаться построить систему на основе слишком большого множества элементов, всё станет деградировать, и в результате ничего, кроме беспорядка, не получится».
Однако исследования, посвящённые созданию материалов, необходимых для возникновения жизни, всё больше говорят о том, что начинать с какой-то формы настоящего беспорядка, значит действовать не только более реалистично, но и более эффективно. Попутно сами собой исчезают проблемы, постоянно досаждающие учёным при работе с чистыми системами. «Когда вместо изолированных реагентов, которые обычно применяются в лабораториях, мы работаем со смесями, результаты не хуже, а лучше», — утверждает Николас Хад (Nicholas Hud), химик из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology). Если, объясняя, как появилась земная жизнь, учитывать смеси, картина в некоторых аспектах становится «не такой уж и сложной, как иногда кажется».
В ходе исследований, проведённых с соблюдением всех требований современной науки, Кришнамурти и работающий в его лаборатории постдок Субхенду Бхоумик (Subhendu Bhowmik) обнаружили, что в системе химерных молекул РНК-ДНК, то есть молекул, построенных из химических единиц как РНК, так и ДНК, получить чистую РНК и чистую ДНК легче, чем в чистых системах. 16 сентября в журнале Nature Chemistry опубликована их статья, в которой показано, какую важную роль, по-видимому, сыграла многообразная, сложная смесь ингредиентов на заре эволюции жизни.
Создавая гибридных монстров
Гипотеза, которая уже десятки лет будоражит умы исследователей происхождения жизни, — это РНК-мир. Сценарий здесь такой: в исходном пребиотическом бульоне возникает чистая РНК; она копирует сама себя, но позже, эволюционируя, изобретает стабильного партнёра для репликации — ДНК; в какой-то момент эволюции к этому танцу подключаются пептиды. Установлено, что РНК способна быть как генетическим материалом, так и катализатором, и, стало быть, при зарождении жизни могла взять на себя обе эти роли, а впоследствии передать эстафету ДНК и белкам. Это открытие — главный козырь в руках сторонников данной гипотезы.
Но мир РНК — далеко не идеальное решение. И, пожалуй, самым большим препятствием для превращения этого гипотетического мира в общепринятую теорию является то, что никак не удаётся получить устойчивое размножение чистой РНК в лабораторных условиях. Чтобы создать свою копию, нить РНК в качестве первого шага должна взять из окружающей среды комплементарные нуклеотидные блоки и соединить их. Но возникающие спаренные нити РНК имеют тенденцию так крепко связываться друг с другом, что для их разделения нужна посторонняя помощь. В таких условиях они не могут играть роль катализаторов или матриц для новых нитей РНК.
«Это серьёзный вызов, — говорит Сазерленд, — проблема, которая многие годы не даёт нам двигаться вперёд».
«А нельзя ли избавиться от неё, взяв не одну лишь чистую РНК, а смесь разнообразных соединений?» — подумал Кришнамурти, после того как в 2016 году, проведя эксперимент с «тиглем» для смесей, получил неожиданные результаты.
Он, Хад и их коллеги исследовали свойства «химеры» — так эта команда, вспомнив про чудовище из греческой мифологии с головой льва, туловищем козы и змеиным хвостом, окрестила гибридную молекулу, построенную из блоков РНК и ДНК. По мнению команды Кришнамурти, с помощью молекул-химер удастся объяснить, как мир РНК превратился в мир, где помимо РНК есть ещё и ДНК. Исследователи обнаружили, что двухцепочечные комплексы, создаваемые химерами, менее стабильны, чем двухцепочечные комплексы чистой РНК или чистой ДНК. Сделав это удивительное открытие, команда увидела в нём объяснение тому, почему природа сделала средством генетического наследования молекулы чистой РНК и чистой ДНК, а не какую-то сложную смесь.
Но это же открытие заставило Кришнамурти задуматься: а что, если нестабильность химерных комплексов, напротив, оказалась полезной и с её помощью природа нашла наиболее естественный и короткий путь в мир чистой РНК и чистой ДНК?
Именно это и было показано Кришнамурти и Бхоумиком в их новом исследовании. Поскольку двухцепочечные системы, создаваемые нуклеиновыми кислотами со смешанными цепями, довольно слабы, для них не существует проблема разделения цепей, которая представляет собой серьёзное препятствие при репликации чистой РНК. Более того, в процессе репликации химеры РНК-ДНК синтезируют не столько новые химерные молекулы, сколько нити чистых РНК и ДНК, причём создают их больше, чем матрицы чистой нуклеиновой кислоты.
В пребиотическую эпоху природа не нуждалась в чистом синтезе РНК, чтобы получить материалы, давшие начало жизни. Грязных, нечистых матриц не просто было более чем достаточно — они ещё и работали гораздо эффективнее. «Позвольте реакциям происходить в смеси — и они автоматически создадут для вас искомые молекулы, даже если вы этого совсем не хотели», — говорит Кришнамурти.
Такие франкенштейновские молекулы РНК-ДНК — не просто удобные конструкции, создаваемые для проведения экспериментов. Науке не известны живые организмы с химерным геномом, но у искусственной кишечной палочки, которую изобрела одна исследовательская группа, он есть. Кроме того, установлено, что случайно создавать такого рода смеси вполне способны дрожжи и другие микроорганизмы — и это, несмотря на наличие у них ферментативных систем, устраняющих генетические ошибки.
Кришнамурти и Бхоумик применили свою концепцию «сначала химеры» и к другой системе, со смесью РНК и ТНК — искусственного нуклеотида, который часто используется для моделирования того, что могло предшествовать миру РНК. Получилось то же самое, что и прежде: сложная смесь оказалась эффективнее системы чистой РНК или чистой ТНК. «Это означает, — считает Кришнамурти, — что принцип, согласно которому начало чистым [продуктам] даёт смесь, по-видимому, имеет очень общий характер. Данный принцип работает не только в случае с химерами РНК-ДНК».
По мнению Антонио Ласкано Араухо (Antonio Lazcano Araujo), исследователя происхождения жизни из Национального автономного университета Мексики (исп. Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM), результаты, полученные командой Кришнамурти, демонстрируют «химическую страну чудес, которая должна предшествовать первым системам репликации», — страну, сделавшую сегодня возможным принципиально новое понимание того, как возникла жизнь.
От рассвета до заката
И в самом деле: уже целый ряд исследований, посвящённых решению разных проблем, показал, что научный подход, широко известный как химия систем, открывает перед учёными новые горизонты. В 2015 году Кришнамурти, Хад и их сотрудники продемонстрировали сомнительный характер попыток объяснить возникновение синтеза полипептидов, изучая одни лишь аминокислоты — строительные блоки пептидов. Сами по себе аминокислоты не склонны синтезировать пептиды, но смесь аминокислот и других, поразительно похожих на них соединений (альфа-гидроксикислот) охотно делает это.
«Описывая, как день сменяется ночью, вы никогда не перескакиваете из яркого солнечного света в тёмную безлунную ночь. Вы идёте через сумерки».
Антонио Ласкано Араухо, Национальный автономный университет Мексики
Исследования, проведённые за последнюю пару лет, свидетельствуют о том, что и в других контекстах сложность эффективнее чистоты: например, везикулы, созданные только из жирных кислот, менее стабильны, чем те, которые образовались из смеси жирных кислот и ряда солей. Может показаться, будто новейшие открытия Кришнамурти опровергают первичность РНК по отношению к ДНК и требуют рассматривать РНК и ДНК как возникшие одновременно. Однако такая интерпретация — всего лишь один из возможных сценариев. Дело в том, что, как выразился Сазерленд, «быть грязнее, чем исходно считалось, можно по-разному», и это сулит блестящие перспективы.
К примеру, Сазерленд наткнулся на факт, подтверждающий гипотезу, согласно которой ранняя пребиотическая смесь включала в себя РНК и пептиды, а не РНК и ДНК: появление строительных блоков как РНК, так и пептидов обеспечивают одни и те же реакции. Однако какая бы из данных гипотез ни оказалась истинной, «обе говорят про некое дуалистическое начало, — подчёркивает он. — И эта характерная для химии систем точка зрения по-прежнему противоречит другой, более ранней, в рамках которой сначала было что-то одно, затем что-то другое, а потом — что-то третье».
«На мой взгляд, мир РНК многих очаровал, — говорит Кришнамурти. — Он выглядел, как финал сказки: возникла РНК, а после все жили долго и счастливо». Однако ныне становится ясно, что «в пребиотической химии [должен быть] счастлив тот, кто работает со смесями, и вам не следует изобретать нереалистический химический процесс, в ходе которого возникает всего лишь одна конкретная молекула».
Теперь Кришнамурти намерен проследить возможные пути развития пребиотической химерной химии. Например, создавая разные виды нуклеиновых кислот с гибридной основой можно получить разные виды связывания. «Меняя основу, вы меняете правила», — говорит Кришнамурти. И он намерен выяснить, как с изменением одних правил меняются другие и как всё это может сказаться на научной картине возникновения жизни (и связанных с ней конкретных процессов — таких, как метаболизм).
«Я думаю, что не стоит чрезмерно увлекаться химией систем, — считает Сазерленд. — Ещё слишком рано делать конкретные выводы». Однако в ходе работы, которая проводится в рамках этой химии, возникают различные теории, и путём их сравнения можно определить, в каком направлении следует двигаться в будущем.
Некоторые теории, по-видимому, окажутся устаревшими. Возможно, что пришло время отказаться от гипотез, в основе которых лежит представление о линейном, прогрессивном движении от первобытного бульона к современной биологии, в пользу гипотез, которые опираются на исследование сложных смесей химии систем. «Описывая, как день сменяется ночью, — говорит Ласкано Араухо, — вы никогда не перескакиваете из яркого солнечного света в тёмную безлунную ночь. Вы идёте через сумерки».
Автор: Джордана Цепелевич (Jordana Cepelewicz), Перевод: Александр Горлов