Один из главных неразрешённых вопросов о возникновении жизни состоит в том, как капельки РНК, плавающие в «первичном бульоне», превратились в защищённые мембраной сгустки жизни, которые мы называем клетками.
Решение предложено в свежей статье технологов Школы молекулярного инжиниринга Притцкера Чикагского университета (UChicago PME), факультета химической технологии Хьюстонского университета и биологов факультета химии Чикагского университета.
В статье, опубликованной в журнале Science Advances (авторы — постдок UChicago PME Аман Агравал с соавторами, включая почётного декана UChicago Мэттью Тиррелла и лауреата Нобелевской премии по биологии Джека Шостака) показано, каким образом дождевая вода могла помочь в формировании ячеистой оболочки у протоклеток 3,8 миллиарда лет назад; что было критическим шагом в переходе от крошечных капелек РНК ко всему живому на Земле.
«Это — оригинальные и принципиально новые результаты», — говорит Тиррелл.
В исследовании рассматриваются «коацерватные капельки», встречающиеся в естественной среде сгустки сложных молекул вроде белков, липидов и РНК. Эти капельки, которые ведут себя подобно каплям растительного масла в воде, давно рассматривались в качестве кандидатов на роль первых протоклеток. Но с ними была проблема. Не то чтобы эти капельки были неспособны обмениваться друг с другом молекулами, что является ключевым шагом для эволюции, проблема заключалась в том, что они делали это слишком хорошо и слишком быстро.
Любая капелька, содержащая новую, потенциально полезную предшествующую жизни мутацию РНК, обменялась бы этой РНК с другими капельками с РНК в течение нескольких минут, что означает, что они быстро стали бы одинаковыми. Не было бы дифференциации и конкуренции, а значит — эволюции.
А это означает — никакой жизни.
«Если молекулы постоянно обмениваются между капельками или между клетками, то все клетки после короткого промежутка будут выглядеть одинаково, и эволюции не случится, поскольку в итоге вы получаете идентичные клоны», — поясняет Агравал.
Технология решения
Жизнь по своей природе междисциплинарна, поэтому Шостак, директор Центра происхождения жизни Чикагского университета, сказал, что вполне естественным было бы посотрудничать как с UChicago PME, междисциплинарной школой молекулярных технологий Чикагского университета, так и с факультетом химической технологии Хьюстонского университета.
«Технологи достаточно давно изучают физико-химические свойства такого рода комплексов, а также химию полимеров в более широком смысле. Разумно предположить, что у технологической школы есть некоторый опыт», — говорит Шостак. «Когда мы ищем нечто вроде происхождения жизни, задача настолько сложна и многогранна, что нам нужно привлекать разнообразных людей с соответствующим опытом».
В начале 2000-х Шостак начал рассматривать РНК в качестве первого развившегося биологического материала. Так была решена проблема, долго ставившая в тупик исследователей, рассматривавших ДНК или белки в качестве первых живых молекул.
«Это похоже на задачу про курицу и яйцо. Что появилось раньше? — говорит Агравал. — ДНК — молекула, кодирующая информацию, но она неспособна выполнять никаких функций. Белки — молекулы, выполняющие функции, но они не кодируют наследуемую информацию».
Исследователи вроде Шостака выдвигали теорию, что РНК появилась раньше, «и обо всём позаботилась», выражаясь словами Агравала, и постепенно эволюционировала в белки и ДНК.
«РНК — это молекула, которая, подобно ДНК, может кодировать информацию, но она также сворачивается подобно белкам, таким образом она также способна выполнять функции вроде катализа», — говорит Агравал.
РНК была вероятным кандидатом на роль первого биологического материала. Коацерватные капельки были вероятными кандидатами на роль первых протоклеток. Естественным образом, следующим шагом могли стать коацерватные капельки, содержавшие ранние формы РНК.
Всё это до того, как Шостак облил эту теорию холодной водой, опубликовав в 2014 году статью, демонстрировавшую, что обмен РНК в коацерватных капельках происходил слишком быстро.
«Можно создать сколько угодно типов капелек с различными типами коацерватов, но они не сохраняют своей отдельной сущности. Они имеют тенденцию к обмену содержащимися в них РНК слишком быстро. Эта проблема долго оставалась неразрешимой», — говорит Шостак. «В новой статье мы показали, что можно разобраться как минимум с частью этой проблемы, перенеся эти коацерватные капельки в дистиллированную воду, например, дождевую воду или любую пресную воду, и вокруг капелек появляется нечто вроде грубой кожи, которая ограничивает обмен РНК между ними».
«Спонтанное воспламенение идей»
Агравал начал переносить коацерватные капельки в дистиллированную воду во время своей работы на соискание степени PhD в Хьюстонском университете, изучая их поведение в электрическом поле. На тот момент исследование не имело ничего общего с происхождением жизни, просто изучался удивительный материал с инженерной точки зрения.
«Инженеры, особенно в области химии и материаловедения, хорошо знают как манипулировать свойствами материалов, такими как межфазное натяжение, роль полиэлектролитов, соли, контроль над pH, и т.д.», — говорит профессор Хьюстонского университета Аламгир Карим, бывший научный руководитель Агравала и соавтор новой статьи. — Всё это — ключевые аспекты мира, широко известного как «неньютоновские жидкости», представьте себе шампунь или жидкое мыло».
Агравал для защиты PhD хотел изучить другие фундаментальные свойства коацерватов. Это не было областью исследований Карима, но несколько десятилетий ранее Кариму довелось работать в Университете Миннесоты под руководством одного из крупнейших экспертов в мире — Тиррелла, который позднее станет деканом-основателем Школы молекулярного инжиниринга Притцкера Чикагского университета.
За обедом с Агравалом и Каримом Тиррелл поднял тему о возможной связи исследования влияния дистиллированной воды на коацерватные капельки с происхождением жизни на Земле. Тиррелл спросил о том, где могла существовать вода 3,8 миллиарда лет назад.
«Я спонтанно сказал — «дождевая вода!» У него появился блеск в глазах и он очень оживился от такого предположения», — говорит Карим. — Так что можно сказать, что это было спонтанное воспламенение идей!»
Тиррелл принёс работу о дистиллированной воде Агравала Шостаку, который незадолго до этого присоединился к Чикагскому университету, чтобы возглавить то, что тогда называлось «Инициатива по происхождению жизни». Он задал тот же вопрос, который задавал Кариму.
«Я говорю ему: «Откуда, думаешь, могла появиться дистиллированная вода в пребиотическом мире?» — вспоминает Тиррелл. — И Джек сказал именно то, на что я надеялся, то есть — дождь».
Работая с образцами РНК, полученными от Шостака, Агравал обнаружил, что перенос коацерватных капелек в дистиллированную воду увеличивал продолжительность обмена РНК, от всего-навсего нескольких минут до нескольких дней. Это время оказалось достаточным для мутации, соперничества и эволюционирования.
«Если у вас имеются популяции нестабильных протоклеток, они обменяются друг с другом генетическим материалом и станут клонами. Нет возможности для дарвиновской эволюции», — говорит Агравал. — Но если они обретают стабильность в отношении обмена и таким образом достаточно хорошо сохраняют свою генетическую информацию, как минимум несколько дней, чтобы в их генетических последовательностях произошли мутации — тогда популяция может эволюционировать».
Дождь. Проверено
Изначально Агравал экспериментировал с деионизированной водой, очищаемой в лабораторных условиях. — Это подтолкнуло рецензентов статьи к следующему вопросу: что случилось бы, если пребиотическая дождевая вода была бы слишком кислотной?
Промышленная лабораторная вода очищена ото всех загрязнителей, в ней нет соли, кроме того её pH нейтрален и абсолютно сбалансирован между основанием и кислотой. Короче говоря, она настолько далека от реальных условий, насколько это возможно для любого материала. Нужно работать с материалом, который больше схож с настоящим дождём.
Что больше всего похоже на дождь чем сам дождь?
«Мы попросту собрали дождевую воду в Хьюстоне и проверили в ней стабильность наших капелек, просто чтобы убедиться, что наши данные точны», — говорит Агравал.
В тестах с настоящей дождевой водой и с лабораторной водой, которая была модифицирована, чтобы её кислотность была схожей с дождевой водой, были получены одинаковые результаты. Сформировались ячеистые оболочки, создав условия, которые способны привести к появлению жизни.
Химический состав дождя, падающего на Хьюстон в 2020 году, не тот, что у дождя, который падал спустя 750 миллионов лет после формирования Земли; и то же самое можно сказать о модели протоклеточной системы, полученной Агравалом. Новая работа доказала, что этот подход к построению ячеистых оболочек вокруг протоклеток возможен, и что он способен разделить молекулы жизни, что приблизило науку к открытию необходимого сочетания химических и экологических условий для возникновения возможности эволюции протоклеток.
«Молекулы, использованные нами для построения этих протоклеток — всего лишь модели, до тех пор, пока им на смену не будут найдены более подходящие молекулы», — говорит Агравал. — И хотя химия слегка поменяется, физика останется той же».
Автор публикации: Пол Дэйлинг, Перевод: Андрей Прокипчук