Тайна появления жизни на Земле

Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая группа ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», он же фермент). Обнаружение двух ферментов РНК одного за другим указывало на то, что их должно быть много больше. И так идея начала жизни с РНК начала выглядеть солидно.

Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Как физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт также стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека.

В 1986 году Гилберт написал в Nature, что жизнь началась в «мире РНК».

Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую деятельность, необходимую для сборки самих себя в бульон нуклеотидов». Копируя и вставляя различные биты РНК вместе, молекулы РНК могли создавать еще более полезные последовательности. Наконец, они нашли способ создавать белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни, которую мы имеем.

«Мир РНК» — это элегантный способ собрать сложную жизнь с нуля. Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна за всех» молекула могла сделать всю работу.

В 2000 году гипотеза «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств.

Рибосома делает белки

Томас Стейц провели 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы он посвятил себя самой серьезной задаче: выяснить структуру рибосомы.

Рибосома есть в каждой живой клетке. Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, чтобы сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую часть вашего тела.

Было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК была каталитическим ядром рибосомы.

Это было важно, так как рибосома фундаментально важна для жизни и при этом очень древняя. Тот факт, что эта важнейшая машина была построена на РНК, сделал гипотезу «мира РНК» еще более правдоподобной.

Сторонники «мира РНК» восторжествовали, а в 2009 году Стейц получил долю Нобелевской премии. Но с тех пор ученые начали сомневаться. С самого начала у идеи «мира РНК» было две проблемы. Могла ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? Могла ли она образоваться на ранней Земле?

Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и мы до сих пор не нашли твердых доказательств, что РНК может выполнять все, что от нее требует теория. Это маленькая умелая молекула, но она может не уметь всего.

Ясно было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была быть способна делать копии себя: она должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся.

Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Им нужен батальон ферментов и других молекул, чтобы создать копию или кусочек РНК или ДНК.

Поэтому в конце 1980-х годов несколько ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали создать самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно.

Джек Шостак

Джек Шостак из Гарвардской школы медицины был одним из первых, кто принял в этом участие. В детстве он был так очарован химией, что завел лабораторию в подвале своего дома. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды он даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка.

В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа бесподобна», говорит он. «В принципе, вполне возможно, что РНК катализирует собственное воспроизводство».

В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который может строить короткую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов. Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли.

Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел фермент РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты РНК могут быть по-настоящему мощными. Но их фермент не мог копировать себя, даже чуточку. Шостак оказался в тупике.

Возможно, жизнь началась не с РНК

Следующий крупный шаг осуществил в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Бартель сделал РНК-фермент R18, который мог добавлять новые нуклеотиды в цепь РНК на основе существующего шаблона. Другими словами, он добавлял не случайные нуклеотиды: он правильно копировал последовательность.

Пока это был еще не саморепликатор, но уже что-то похожее. R18 состоял из цепи 189 нуклеотидов и мог надежно добавлять 11 нуклеотидов в цепочку: 6% от собственной длины. Была надежда, что несколько настроек позволят ему построить цепь длиной в 189 нуклеотидов — как и он сам.

Лучшее, что удалось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. Это 48% от его собственной длины: больше, чем у R18, но далеко не 100%.

Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольном из Института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. В 2009 году они создали фермент РНК, который размножается косвенно. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента. Затем объединяет другие два кусочка РНК, чтобы воссоздать исходный фермент.

При наличии сырья этот простой цикл можно продолжать до бесконечности. Но ферменты работали только тогда, когда им давали правильные цепочки РНК, которые приходилось делать Джойсу и Линкольну.

Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, по всей видимости, просто не может взять и начать жизнь.

Также проблему усугубила неудача химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая молекула по сравнению с ДНК, но сделать ее чрезвычайно трудно.