Одна из главных загадок происхождения жизни — классическая проблема «курицы и яйца»: как РНК могла помочь создать первые клетки, если клеток, способных удерживать РНК внутри, ещё не существовало?

Без клеточных компартментов хрупкие молекулы РНК столкнулись бы на ранней Земле с серьёзными трудностями. Им нужно было бы достаточно часто встречаться друг с другом для взаимодействия и при этом выживать в горячей, кислой и химически агрессивной среде.

Одно из возможных решений — способность РНК собираться в жидкоподобные капли, известные как конденсаты. Эти структуры не имеют мембран, но могут концентрировать молекулы РНК в одном месте. Это повышало бы шансы на химические взаимодействия и одновременно обеспечивало некоторую защиту от сурового окружения.

Новое исследование под руководством Университета в Буффало помогает объяснить, почему РНК особенно хорошо образует такие конденсаты. Работа опубликована в Nature Communications и показывает, что очень небольшое химическое различие между РНК и ДНК сильно влияет на то, насколько легко РНК образует капли при повышении температуры.

Та же химическая особенность, по-видимому, делает конденсаты РНК более склонными к образованию взаимосвязанных сетей и переходу из жидкого состояния в более жёсткую, гелеобразную структуру.

«Эти результаты впервые показывают, как удивительно малые изменения в молекулярной химии могут управлять возникновением гораздо более крупных самоорганизующихся биомолекулярных структур, таких как конденсаты РНК, — говорит ведущий автор-корреспондент Прия Р. Банерджи, доктор философии, профессор физики в Университете в Буффало. — Они могут позволить нам в конечном итоге ответить на ещё более глубокие вопросы, например, помогли ли эти конденсаты преодолеть разрыв между простыми молекулами и самыми ранними формами жизни».

Исследование проводилось в сотрудничестве с Джерелль Джозеф, доктором философии, доцентом кафедры химической и биологической инженерии Принстонского университета. Работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом и Hypothesis Fund.

РНК необычна тем, что может как хранить генетическую информацию, так и способствовать химическим реакциям. Эти способности могли позволить ранним молекулам РНК осуществлять химические процессы, которые в итоге привели к появлению ДНК, белков и первых клеток.

Однако теория «мира РНК» долго сталкивалась с серьёзными нерешёнными вопросами. РНК относительно нестабильна, что поднимает проблему её выживания в суровых пребиотических условиях. Учёным также нужно объяснить, как достаточное количество молекул РНК могло собраться в одном месте для взаимодействия до появления клеточных мембран.

Конденсаты РНК могут дать часть ответа.

В лабораторных экспериментах исследователи обнаружили, что РНК начинала образовывать капли при температуре примерно на 10 градусов Цельсия ниже, чем соответствующая ДНК. Это указывало на то, что РНК имеет значительно более сильную склонность к конденсации.

Молекулы РНК также чаще образовывали связанные сети внутри капель. По мере развития этих сетей капли превращались из более текучего материала в нечто более гелеобразное. Такой переход потенциально мог помочь защитить РНК в сложных условиях окружающей среды.

Причина, по-видимому, сводится к чрезвычайно малому различию в молекулярной структуре. РНК и ДНК химически различаются всего одним атомом кислорода в каждой сахарной единице. Каждый сахар РНК содержит химическую группу, называемую 2′-гидроксильной (2′-OH), которой у ДНК нет.

Чтобы понять, как эта особенность меняет поведение РНК, исследователи использовали термоконтролируемую микроскопию, малоугловое рентгеновское рассеяние и моделирование молекулярной динамики, выполненное группой Джозеф.

Их результаты позволяют предположить, что 2′-OH позволяет РНК сильнее взаимодействовать с ионами магния. РНК также, по-видимому, удерживает меньше молекул воды вокруг своего остова, чем ДНК. Вместе эти различия облегчают молекулам РНК сближение и сборку при повышении температуры.

Команда проверила важность 2′-OH ещё дальше, химически изменив её на 2′-Ome, подобно тому, что встречается во многих природных РНК. Эта модификация снизила склонность РНК к образованию конденсатов, а также изменила, оставались ли полученные структуры текучими или переходили в гелеобразное состояние.

«Эта единственная кислородсодержащая группа на сахаре РНК оказывает удивительно мощное влияние на то, собираются ли эти молекулы вместе, остаются ли динамичными или переходят в гелеобразный материал», — говорит первый автор Гейбл Уодсворт, доктор философии, постдок в лаборатории Банерджи, который этой осенью присоединится к Техасскому университету в Эль-Пасо в качестве ассистента профессора.

Лаборатория Банерджи сейчас пытается продвинуть эти результаты дальше, создавая искусственные капли РНК, способные выполнять некоторые базовые функции клеток, включая биохимические реакции.

Исследователи работают над программированием этих капель, чтобы они вели себя как активные, динамичные компартменты размером с клетку. В случае успеха работа может заложить основу для создания синтетических клеток, полностью состоящих из РНК.

Она также может дать новое понимание того, как простые молекулы начали организовываться во всё более сложные системы задолго до появления современных клеток.

«Такие самоорганизующиеся компартменты РНК, возможно, были одним из шагов на пути к одноклеточным организмам», — говорит Банерджи.

Источники:

sciencedaily.com

Материалы предоставлены Университетом в Буффало.

Gable M. Wadsworth, Dilimulati Aierken, George M. Thurston, Jerelle A. Joseph, Priya R. Banerjee. The role of the 2’-OH group in phase separation and percolation transitions of RNA. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-75961-2