Учёные сделали большой шаг к воссозданию древнего «мира РНК» возрастом 4 миллиарда лет
Учёные из Научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) приблизились к лабораторному воссозданию «мира РНК», который, как считается, предшествовал современным формам жизни на основе ДНК и белков.
«Вероятно, это первый случай, когда некоторые из этих сложных молекул РНК были синтезированы с помощью рибозима [особого фермента РНК] с конца мира РНК четыре миллиарда лет назад», — заявил профессор TSRI Джеральд Ф. Джойс, старший автор исследования.
Результаты, опубликованные на этой неделе в онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences, показывают, что учёным удалось создать рибозим, способный как увеличивать генетическую информацию, так и генерировать функциональные молекулы.
Новый рибозим может эффективно реплицировать короткие цепи РНК и осуществлять транскрипцию даже более длинных РНК для создания функциональных молекул РНК со сложной структурой. Это приближает нас к представлениям о РНК-репликаторе, который мог поддерживать жизнь до появления современной биологии, где репликацию и транскрипцию генов выполняют белковые ферменты.
Решение задачи, поставленной десятилетия назад
В новом исследовании Джойс и научный сотрудник TSRI Дэвид П. Хорнинг использовали методы эволюции в пробирке, чтобы решить давнюю задачу создания фермента, способного и реплицировать, и транскрибировать РНК, что необходимо для существования мира РНК.
Команда начала с фермента, который разрабатывался и улучшался другими исследователями с начала 1990-х годов. Рибозим РНК-полимеразы I класса способен выполнять базовую задачу синтеза РНК, необходимую для транскрипции РНК-матрицы в функциональную молекулу РНК.
Однако предыдущие версии рибозима были сильно ограничены в последовательностях РНК, с которыми могли работать, и не могли транскрибировать РНК даже со средней сложности структурой. Из-за этих ограничений они также не могли выполнять полную репликацию РНК, которая требует транскрипции комплементарной цепи обратно в копию исходной.
Хорнинг и Джойс использовали несколько улучшений из предыдущих исследований, а затем добавили случайные мутации, создав популяцию из примерно 100 триллионов различных вариантов молекулы. Имитируя процесс естественного отбора, они создали систему для выделения только тех вариантов рибозимов, которые могли синтезировать — из соответствующих РНК-матриц — две разные и сложные молекулы РНК. Эти молекулы имеют смешанные последовательности и сложные структуры, а их функция заключается в прочном связывании с определёнными молекулами-мишенями.
«Отбор был основан на способности этих вновь синтезированных РНК фактически функционировать, связываясь со своими мишенями», — сказал Хорнинг. «Чтобы иметь возможность создавать эти функциональные РНК, рибозиму пришлось эволюционировать, чтобы стать универсальным в отношении последовательности и структуры РНК, с которой он может работать».
Лучший исполнитель
Лучший результат после двух дюжин раундов отбора показал рибозим полимеразы 24-3. Он оказался способен синтезировать не только две целевые РНК, но и несколько других структурно сложных молекул РНК, существующих в природе — как функциональные остатки древнего мира РНК. Среди них — дрожжевая версия молекулы «транспортной РНК», которая играет важнейшую роль в синтезе белка во всех клетках.
«Мы обнаружили, что новый рибозим может работать с большинством последовательностей и почти со всеми структурами, кроме самых сложных, поэтому мы можем использовать его для создания различных функциональных молекул РНК», — сказал Джойс.
Даже при синтезе ограниченных последовательностей РНК, с которыми мог справиться исходный рибозим полимеразы I класса, рибозим 24-3 оказался способен соединять их примерно в 100 раз быстрее, чем его предшественник.
Перейдя к гораздо более сложной задаче репликации, исследователи TSRI обнаружили, что рибозим 24-3 может копировать РНК длиной до двух десятков нуклеотидов, достигая того, что биологи называют «экспоненциальной репликацией», и создавая до 40 000 копий целевой РНК в течение 24 часов.
Таким образом, рибозим 24-3 стал первым в истории, сочетающим две основные способности — синтез РНК и репликацию РНК, — необходимые для мира РНК-жизни до появления белков и ДНК.
Чтобы создать и поддерживать настоящий «мир РНК», новый рибозим необходимо улучшить, чтобы он мог реплицировать более длинные и сложные молекулы РНК — в первую очередь, сам рибозим полимеразы. Лаборатория Джойса сейчас движется к этой цели с помощью дальнейших экспериментов по эволюции в пробирке.
«Рибозим полимеразы, который достигает экспоненциальной амплификации самого себя, будет соответствовать критериям живого», — сказал Джойс. «Эта вершина теперь уже видна».