Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Это было замысловатое исследование, включавшее в себя ряд связанных экспериментов. Ученые начали с того, что принялись искать простой способ получения протоклеток из липидов. Как мы помним из главы 9, липиды самопроизвольно собираются в капли, называемые мицеллами. Однако у мицелл нет внутренней полости, в которой могла бы разместиться РНК, поэтому первым делом их следовало превратить в имеющие полость везикулы. Преобразование одних в другие шло неохотно, но потом исследователи нашли ускоряющий его катализатор – монтмориллонит. (Наконец-то нам открылся весь спектр возможностей этого замечательного глинистого минерала.) Шостак и его сотрудники показали, что добавление зерен монтмориллонита ускоряет превращения мицелл в везикулы в сотни раз. Везикулы становились заметны менее чем через минуту и нередко содержали внутри себя захваченное зерно монтмориллонита.

Последнее обстоятельство оказалось самым существенным. Из главы 8 мы помним, что монтмориллонит ускоряет образование молекул РНК и их удлинение, поскольку те располагаются на поверхности минерала и растут на ней. Получая описанным выше способом везикулы с зернами монтмориллонита внутри, команда Шостака создала идеальное хранилище для РНК. Далее ученые добавляли РНК к зернам монтмориллонита и использовали эти последние, чтобы вызвать образование везикул. Оказалось, что каждая такая везикула несла в себе зерно монтмориллонита, покрытое РНК. Важно также, что молекулы РНК из них “не вываливались”.

Выглядело все весьма элегантно: один-единственный минерал помог ученым создать на основе самого скудного набора соединений более сложные протоклетки с нуклеиновыми кислотами внутри.

Следующие эксперименты показали, что протоклетки также способны расти за счет поглощения липидов из окружающей среды. Этот процесс оказался довольно привередливым: он происходил только при медленном добавлении новых мицелл. И все-таки он был возможен, что и продемонстрировал в 1990-е годы Луизи.

Эта же исследовательская группа сумела заставить протоклетки создавать похожие на себя “дочерние” копии – в ходе процесса, напоминающего деление: крупные везикулы продавливали через очень мелкие отверстия в ткани, придавая им форму сосиски. Полученные “сосиски” оказались неустойчивыми и быстро распадались на множество мелких везикул, так что на обычное деление клетки (с образованием двух дочерних) это походило уже не слишком, но важнее здесь то, что везикулы в процессе растеряли не всю свою РНК. В последнем эксперименте из этой серии протоклетки подвергли повторяющимся циклам роста и деления – подобное проделывают с поддерживаемой в лаборатории культурой бактерий.

В протоклетках Шостака не было ни белков, ни ферментов, ни прочей обычной для клетки машинерии. И тем не менее их сходство с живым потрясает. “Данные эксперименты стали принципиальным доказательством того, что рост и деление везикул обусловлены простыми физико-химическими явлениями и не требуют участия какой-либо сложной биохимической машинерии”, – таков был вывод ученых. Вообще-то, они явно себя недооценили. Как мы убедились в главах 4 и 6, современные клетки имеют очень сложное устройство – в них работают сообща тысячи различных компонентов. А протоклетки Шостака – несмотря на то, что они состоят всего из нескольких соединений, – воспроизводят многие фундаментальные свойства живого. Как известно, Нильс Бор говорил, что тот, кого не испугала квантовая механика, совершенно ее не понял. То же можно сказать и об экспериментах Шостака: с учетом того, насколько просто устроены протоклетки Шостака, их сходство с настоящими поистине поражает.

Статья с этими результатами была опубликована в 2003 году, спустя полвека после проведения Миллером его эпохального эксперимента, который показал возможность самопроизвольного образования биологических молекул^[463]. Это были пять десятилетий застоя и вязких непродуктивных споров. Но теперь они подошли к концу и наука о зарождении жизни быстро продвигается вперед. Причем это касается как экспериментальных исследований, так и теории.

В течение десяти последующих лет ученые убедились, что их протоклетки еще более универсальны, чем казалось вначале^[464]. Всего через год они продемонстрировали, насколько слаженно могут работать РНК и его липидное пристанище. Ранее Шостак и Луизи предлагали связать их воедино за счет того, что рибозимы внутри создавали новые липиды для оболочки. Но теперь группа Шостака придумала кое-что более простое.

Когда в везикуле становится слишком много РНК, давление на мембрану возрастает и она растягивается, как полный продуктов полиэтиленовый пакет. Шостак и его сотрудники выяснили, что подобные “растянутые” протоклетки могут забирать липиды у соседних везикул, которые не содержат РНК. Такие протоклетки по сути конкурируют между собой за “строительный материал”, то есть за липиды. Победителем из этой борьбы выходит тот, в ком больше РНК. Законы физики мембран стимулируют и рост наполненных РНК везикул, и уменьшение пустых везикул. По мнению ученых, это простое соревнование “могло сыграть важную роль в запуске эволюции по Дарвину”^[465]. В частности, протоклетки, содержащие РНК со способностью быстрее копировать себя, и сами растут быстрее.

Вдобавок протоклетки оказались очень устойчивы. Они выдерживали и охлаждение до 0 °C, и нагрев до 100 °C^[466]. Из этого следует, что они могли бы существовать в гидротермальных источниках – как на суше, так и в океане. Мало того: нагревание открыло их новые возможности. В горячем виде они свободно пропускали внутрь небольшие молекулы вроде нуклеотидов – при нормальной температуре это невозможно. Получается, что в нагретом состоянии протоклетки могли “питаться”, вбирая в себя новый материал.

И все же была тут одна проблема. Как именно могло происходить деление протоклеток, то есть, по сути, их размножение?^[467] В исходном эксперименте протоклетки необходимо было продавливать через крошечные отверстия и тем самым изменять их форму, однако это выглядит искусственно и вряд ли действительно происходило миллиарды лет назад. К тому же при таком продавливании протоклетки теряли часть своих РНК. Требовалось придумать что-то другое, получше.

Для решения этой проблемы было предложено два остроумных способа, причем предложено одним и тем же человеком – студентом Тинг Чжу. В 2009 году он и Шостак получили протоклетки, которые имели несколько слоев мембран и потому напоминали луковицы^[468]. Когда им “скармливали” липиды, они превращались в более крупные вытянутые цепочки. Такие цепочки оказались хрупкими, поэтому даже небольшое движение окружающего раствора разрушало их, создавая десятки новых протоклеток, сохраняющих при этом свое содержимое. А спустя три года Чжу придумал и второй способ^[469]: сначала везикулам-“сосискам” давали определенные небольшие молекулы, а потом подвергали везикулы действию света. Это запускало химические реакции, из-за которых везикулы начинали делиться. Так что протоклетки, способные к независимым росту и делению, теперь не кажутся чем-то нереальным^[470].

Добиться саморепликации РНК в составе таких протоклеток оказалось посложнее – ведь надо было обойтись без сложного фермента. При этом нуклеотидам предстояло выстроиться в ряд вдоль имеющейся молекулы РНК и соединиться, образовав новую цепочку. Орджел и другие исследователи сражались с проблемой такой “неферментной репликации” еще с 1980-х годов. Теперь же Шостаку предстояло добиться этого внутри протоклетки.

Он и его студентка Катажина (Кейт) Адамала вплотную занялись этим вопросом в 2012 году. Сложностей на их пути могло возникнуть множество: например, нуклеотиды норовят иногда присоединиться к РНК не той стороной^[471]. И тем не менее уже на следующий год были получены первые результаты^[472].

Ученые знали, что РНК копирует себя быстрее в присутствии ионов магния. Это выглядит правдоподобно: магний относится к распространенным элементам. Но, к сожалению, он также разрушает липидную мембрану протоклеток. Адамала и Шостак решили эту проблему, добавив цитрат – соединение, которое очень похоже на лимонную кислоту из лимонов. Цитрат присутствует во всех живых организмах, а в этом опыте он требовался для связывания магния. Благодаря цитрату магний мог ускорять копирование РНК, не нарушая при этом структуру протоклеток. В итоге сочетание магния и цитрата сделало возможным саморепликацию РНК в липидной упаковке.

Позже оказалось, что железо ускоряет самокопирование РНК даже лучше, чем магний. Это в 2018 году выяснил Шостак в ходе своей совместной – с Адамала (к тому времени уже возглавлявшей собственную лабораторию) и еще несколькими коллегами – работы^[473]. Такой факт особенно воодушевляет, если учесть, что ученые предполагают в океанах молодой Земли обилие железа. Сейчас его меньше, поскольку в реакции с ним активно вступает кислород из атмосферы, – но, как мы помним, исходно кислорода на Земле не было.