Химики и молекулярные биологи синтезировали нуклеозиды ДНК и РНК из одних и тех же компонентов, сообщается в Nature. Это показывает, что нуклеиновые кислоты обоих типов могли образоваться в одно и то же время, а не последовательно, как считали некоторые сторонники теории мира РНК.
Чтобы передавать генетическую информацию, нужно копировать (реплицировать) несущие ее молекулы — РНК и ДНК. РНК поддерживает собственную репликацию, а для копирования ДНК нужны ферменты ДНК-полимеразы. Это белки, и они могут появиться, только если уже есть соответствующие молекулы РНК. Последние теоретически способны выступить и в качестве источника информации о составе ДНК-полимераз, и в качестве катализатора их образования. Биологическая система, в которой есть только РНК, но нет ДНК, может самовоспроизводиться, а система с ДНК, но без РНК — нет. Поэтому ряд биологов считает, что сначала возникли РНК-объекты, а уже потом появилась ДНК и произошло разделение функций: РНК осталась матрицей для синтеза белков и катализатором, а ДНК стала хранителем информации. Гипотеза мира РНК, в рамках которой развиваются эти взгляды, в последние годы находит много подтверждений.
Однако не вполне понятно, как дезоксирибонуклеиновая кислота отделялась от рибонуклеиновой, как они сосуществовали в первое время. ДНК и РНК собираются из нуклеотидов — небольших молекул из сахара рибозы или ее производного дезоксирибозы, азотистого основания и фосфатной группы (если фосфатной группы нет, соединение называется нуклеозидом). Нуклеотиды в составе ДНК и РНК разные: у первых в рибозе на один атом кислорода меньше, чем у вторых, также в ДНК может быть азотистое основание тимин, но не урацил (он в РНК). Реакции синтеза таких нуклеотидов требуют разных условий, и это аргумент в пользу того, что ДНК не «произошла» от РНК, а сосуществовала и, скорее всего, коэволюционировала с ней.
Исследователи из Великобритании и Польши во главе с Джоном Сарезлендом (John Sutherland) из Кембриджского университета проверили, могли ли одновременно синтезироваться нуклеозиды ДНК и РНК. В 2009 году они уже пробовали создать «кирпичики» нуклеиновых кислот из циановодорода и других простых молекул под действием ультрафиолета и выяснили, что для образования нуклеозидов не обязательно собирать их из сахара и азотистого основания. В тех экспериментах сразу получились соединения с рибозой и пиримидинами в составе — ангидронуклеозиды, стадий со свободными рибозой и азотистыми основаниями не было. Теперь ученые проанализировали, какие промежуточные продукты получались в тех реакциях, и попробовали синтезировать на их основе дезоксирибонуклеозиды.
В новых экспериментах удалось получить соединения, которых в 2009 в продуктах не обнаружили, — дезоксиаденозин и дезоксиинозин (из второго можно получить гуанозин). Кроме того, оказалось, что пуриновые (аденозин, гуанозин) нуклеозиды можно синтезировать примерно в тех же условиях, и пиримидиновые (цитидин, уридин, 5-метилуридин), а раньше их удавалось получить совместно разве что последовательно меняя влажность. В продуктах реакций нашли все нуклеозиды, нужные для построения ДНК и РНК (добавление к нуклеозидам фосфата авторы считают простой операцией, и она не должна ограничивать сборку более сложных молекул), а это значит, что нуклеиновые кислоты обоих типов могли появиться в одно время.
Сазерленд предполагает, что первые молекулы нуклеиновых кислот представляли собой гибриды ДНК и РНК. Однако молекулы-химеры, которые составлены из рибонуклеотидов и дезоксирибонуклеотидов, не очень устойчивы и должны были бы быстро распадаться на фрагменты «чистых» ДНК и РНК — или, вероятно, не образовываться вовсе. Правда, не все сторонники гипотезы мира РНК считают, что дезоксирибонуклеиновая кислота должна была формировать гибриды с рибонуклеиновой.
Происхождение жизни и ее эволюция — невероятно масштабные и сложные темы. Изучить их силами одних только биологов или одних только химиков невозможно, необходима работа самых разных специалистов.
Автор: Светлана Ястребова