Исследование происхождения жизни: РНК способствует образованию разных белков

Диаграмма левовращающихся и правовращающихся версий аминокислоты изовалина, обнаруженной в метеорите Мерчисон. Автор: NASA

Белки — это рабочие молекулы жизни, используемые во всем: от структур вроде волос до ферментов (катализаторов, которые ускоряют или регулируют химические реакции). Так же, как 26 букв алфавита организованы в бесчисленных комбинациях, чтобы составить слова, жизнь использует 20 различных аминокислотных строительных блоков в огромном разнообразии конфигураций, чтобы создать миллионы различных белков.

Некоторые молекулы аминокислот могут быть построены двумя способами, так что существуют зеркальные версии, как ваши руки, и жизнь использует левостороннюю разновидность этих аминокислот. Хотя жизнь, основанная на правосторонних аминокислотах, предположительно, будет работать нормально, два зеркальных образа редко смешиваются в биологии, характеристика жизни, называемая гомохиральностью. Для ученых остается загадкой, почему жизнь выбрала левостороннюю разновидность, а не правостороннюю.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это молекула, которая содержит инструкции по построению и функционированию живого организма. Однако ДНК — сложная и специализированная молекула; она «передает» работу по чтению инструкций молекулам РНК (рибонуклеиновой кислоты) и построению белков молекулам рибосом.

Специализация и сложность ДНК приводят ученых к мысли, что что-то более простое должно было предшествовать ей миллиарды лет назад во время ранней эволюции жизни. Ведущим кандидатом на это является РНК, которая может как хранить генетическую информацию, так и строить белки. Гипотеза о том, что РНК могла предшествовать ДНК, называется гипотезой «мира РНК».

Если предположение о мире РНК верно, то, возможно, что-то в РНК заставило ее отдавать предпочтение построению левосторонних белков по сравнению с правосторонними. Однако новая работа не подтвердила эту идею, углубив тайну того, почему жизнь пошла с левосторонними белками.

В ходе эксперимента были протестированы молекулы РНК, которые действуют как ферменты для создания белков, называемые рибозимами. «Эксперимент продемонстрировал, что рибозимы могут отдавать предпочтение как левым, так и правым аминокислотам, указывая на то, что миры РНК в целом не обязательно получат сильную предвзятость в отношении формы аминокислот, которую мы наблюдаем в биологии сейчас», — сказала Ирен Чен из инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), автор-корреспондент статьи.

В ходе эксперимента исследователи смоделировали то, что могло быть условиями ранней Земли в мире РНК. Они инкубировали раствор, содержащий рибозимы и предшественники аминокислот, чтобы увидеть относительные проценты правосторонней и левосторонней аминокислоты, фенилаланина, которые он мог бы помочь произвести.

Они протестировали 15 различных комбинаций рибозимов и обнаружили, что рибозимы могут отдавать предпочтение как левосторонним, так и правосторонним аминокислотам. Это говорит о том, что изначально РНК не имела предрасположенности к химическому предпочтению одной формы аминокислот. Такое отсутствие предпочтений ставит под сомнение представление о том, что ранняя жизнь была предрасположена к выбору левосторонних аминокислот, которые доминируют в современных белках.

«Полученные результаты свидетельствуют о том, что окончательная гомохиральность жизни могла быть не результатом химического детерминизма, а могла возникнуть под более поздним эволюционным давлением», — сказал соавтор Альберто Васкес-Салазар, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и член исследовательской группы Чена.

Добиологическая история Земли простирается за пределы древнейшей части ископаемой летописи, которая была стерта тектоникой плит, медленным перемешиванием земной коры. В то время планета, вероятно, подвергалась бомбардировке астероидами, которые могли доставить некоторые из строительных блоков жизни, такие как аминокислоты. Параллельно с химическими экспериментами другие исследователи происхождения жизни изучали молекулярные доказательства из метеоритов и астероидов.

«Понимание химических свойств жизни помогает нам знать, на что обращать внимание при поиске жизни по всей Солнечной системе», — сказал соавтор Джейсон Дворкин, старший научный сотрудник по астробиологии в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и директор Аналитической лаборатории астробиологии имени Годдарда.

Дворкин — научный сотрудник миссии NASA OSIRIS-REx, в ходе которой в прошлом году были извлечены образцы с астероида Бенну и доставлены на Землю для дальнейшего изучения.

«Мы анализируем образцы OSIRIS-REx на хиральность (направленность вращения) отдельных аминокислот, и в будущем образцы с Марса также будут тестироваться в лабораториях на предмет наличия жизни, включая рибозимы и белки», — сказал Дворкин.

Больше информации: Josh Kenchel et al, Prebiotic chiral transfer from self-aminoacylating ribozymes may favor either handedness, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52362-x

Источник: NASA's Goddard Space Flight Center