Предшественник жизни: ДНК-подобные молекулы могли собраться сами
Ученые из Университета Нагои (Япония) продемонстрировали, как ДНК-подобные молекулы могли спонтанно соединяться, что могло быть предшественником зарождения жизни. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, не только указывают на возможный путь возникновения жизни, но и имеют значение для разработки искусственной жизни и биотехнологий.
«Считается, что "мир РНК" был одной из стадий происхождения жизни, — говорит биомолекулярный инженер Кейдзи Мураяма. — До этой стадии "до-РНК мир" мог быть основан на молекулах, называемых ксенонуклеиновыми кислотами (XNA). В отличие от РНК, репликация XNA, вероятно, не требовала ферментов. Нам удалось синтезировать XNA без ферментов, что сильно поддерживает гипотезу о возможном существовании "мира XNA" до "мира РНК"».
XNAs состоят из цепочек связанных нуклеотидов, подобно ДНК и РНК, но имеют другой сахарный остов. XNAs могут очень стабильно нести генетический код, поскольку человеческий организм не может их расщеплять. Некоторые исследователи сообщали, что XNAs, содержащие специфические последовательности, могут действовать как ферменты и связываться с белками. Это делает XNAs перспективными для синтетической генетики с потенциальным применением в биотехнологии и молекулярной медицине.
Мураяма, Хироюки Асанума и их коллеги хотели выяснить, могли ли условия ранней Земли привести к образованию цепочек XNA. Они синтезировали фрагменты ациклической (нециклической) L-треонинолнуклеиновой кислоты (L-aTNA) — молекулы, которая, как полагают, существовала до появления РНК. Они также создали более длинную L-aTNA с последовательностью нуклеотидов, комплементарной последовательностям фрагментов, подобно тому, как спариваются цепи ДНК.
При помещении вместе в пробирку при контролируемой температуре более короткие фрагменты L-aTNA соединялись и связывались друг с другом на матрице более длинной L-aTNA. Критически важно, что это происходило в присутствии соединения N-цианоимидазола и иона металла, такого как марганец, которые, возможно, присутствовали на ранней Земле. Фрагменты соединялись, когда фосфатная группа на конце одного химически присоединялась к гидроксильной группе на конце соседнего, без помощи фермента.
«Насколько нам известно, это первая демонстрация матрично-управляемого, бесферментного удлинения ациклической XNA из случайного пула фрагментов с образованием фосфодиэфирной связи», — говорит Мураяма.
Команда также показала, что фрагменты L-aTNA могут соединяться на матрицах ДНК и РНК. Это предполагает, что генетический код мог передаваться с ДНК и РНК на L-aTNA и наоборот.
«Наша стратегия — привлекательная система для экспериментов по созданию искусственной жизни и разработке высокофункциональных биологических инструментов на основе ациклических XNA, — говорит Мураяма. — Данные также указывают, что L-aTNA могла быть предшественником РНК».
Команда планирует продолжить исследования, чтобы выяснить, могла ли L-aTNA синтезироваться в «дожизненных» условиях ранней Земли, и изучить её потенциал для создания передовых биологических инструментов.