Моделирование клеток ранней Земли показывает, как первые формы жизни могли упаковывать РНК

Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали химическую модель, имитирующую возможный этап формирования клеточной жизни на Земле четыре миллиарда лет назад. Используя крупные «макромолекулы» — полимеры, — учёные создали примитивные клеткоподобные структуры, в которые поместили РНК (генетический материал, который, как считается, предшествовал появлению ДНК на Земле), и показали, как молекулы реагировали бы химически в условиях ранней Земли. Исследование будет опубликовано в журнале Nature Chemistry как Advance Online Publication 14 октября 2012 года.

Согласно гипотезе «мира РНК», РНК появилась на Земле первой, служа одновременно и материалом для хранения генетической информации, и функциональными молекулами для катализа химических реакций. Недостающим элементом этой гипотезы является компартментализация — молекулам РНК нужно было удерживаться вместе в достаточно маленьком пространстве, подобном современной клетке.

Чтобы проверить, как могли формироваться ранние клеткоподобные структуры, команда создала в лаборатории простые неживые модели «клеток» в отсутствие липидов, из которых состоят современные мембраны. Они использовали растворы двух полимеров — полиэтиленгликоля (PEG) и декстрана, которые образуют отдельные водные фазы, богатые полимером. Молекулы РНК концентрировались в декстран-богатых компартментах.

Исследователи обнаружили, что, оказавшись в этих компартментах, молекулы РНК могли физически ассоциировать, что приводило к химическим реакциям. Скорость реакций возрастала до 70 раз при более плотной упаковке РНК. Это демонстрирует, что для химической активности РНК должна быть плотно сконцентрирована в клеткоподобной структуре. Хотя PEG и декстран вряд ли присутствовали на ранней Земле, они указывают на правдоподобный механизм компартментализации — фазовое разделение полимеров в растворе.

Также было обнаружено, что более длинные цепи РНК упаковывались в декстрановый компартмент плотнее, в то время как более короткие цепи оставались снаружи. Это могло быть примитивным методом сортировки, концентрирующим полноразмерную, функциональную РНК и исключающим менее функциональные короткие цепи, которые могли бы мешать реакциям.

Учёные планируют продолжить исследования, тестируя модель с другими полимерами, более близкими к возможным на ранней Земле, а также изучая роль компартментализации РНК в современных биологических клетках.