A biológusok, vegyészek és még matematikusok évtizedek óta foglalkoznak az élet eredetének problémájával. És bár már az első sejt megjelenése előtt léteznek tudományosan megalapozott és alátámasztott kémiai evolúciós hipotézisek, az ebben az irányban folytatott munka folytatódik. A "Lenta.ru" egy új, az RNS-világ problémájáról szóló tanulmányról beszél, amelynek eredményeit a Proceedings of the National Academy of Sciences folyóiratban tették közzé.
A Portlandi Állami Egyetemen a ribozimekkel végzett kísérleteket úgy találták, hogy ezeknek a molekuláknak a képessége, hogy katalizálja saját szerkezetét, függ más hasonló molekulákkal való kölcsönhatásuktól. A tanulmány közvetetten alátámasztja az RNS-világ hipotézisét, miszerint az elsõ szerves molekula, amely az elsõ sejtek alapjául szolgált, az RNS volt. Ezek az RNS-molekulák képesek voltak az önszintetizálásra, egymással versengni és részt venni a prebiotikus evolúcióban, amikor a legsikeresebb vegyületek képezték a bonyolultabb kémiai komplexek alapját.
Sokan tudják, hogy az élő sejteknek megvannak a saját speciális katalizátorai: enzimek, amelyek komplexen összehajtogatott fehérjemolekulák, amelyek vitális reakciókat hajtanak végre. Az enzimek nemcsak proteinek lehetnek, hanem RNS-láncok is. Emlékezzünk arra, hogy az RNS egy olyan nukleinsav, amely nagyon hasonló a DNS-hez, de abban különbözik tőle, hogy ribózcukrot (nem dezoxiribózt) tartalmaz, és az egyik nitrogénbázis, a timin helyébe az uracil lép. A tudósok szerint az RNS a DNS előtt jelent meg, mert sokkal labilisabb (szerkezete érzékenyebb a változásokra) és képes fehérjék nélkül katalitikus reakciókat végrehajtani. Az RNS molekulákat, amelyek enzimek, ribozimeknek nevezzük. A ribozimok általában maguk vagy más RNS-molekulák hasítását katalizálják.
Az egyik legjobban tanulmányozott ribozim az Azo, egy enzim, amelyet az Azoarcus baktérium DNS-ben található önvágó I. csoportba tartozó intronok tudósai készítettek. Az intronok olyan génrégiók, amelyek nem tartalmaznak információt a fehérje vagy nukleinsav szekvenciájáról, és a messenger RNS (mRNS) érése során kivágódnak. Az összes I. csoportba tartozó intron az RNS-szekvencia saját kivonását katalizálja. A tudósok számára érdekes Azo-ribozim Azo egy olyan génben található, amely egy transzport RNS-t (tRNS) kódol, amely az izoleucin aminosavat hordozza. A sejt belsejében az Azo, más ribozimekhez hasonlóan, saját kivonatot hajt végre a tRNS-ből, de laboratóriumi körülmények között megtanulta fordított illesztést végezni: a ribozim egy adott helyen levágja a szubsztrátot - egy rövid RNS-molekulát egy specifikus nukleotidszekvenciával,amelyek darabjai az Azohoz kapcsolódnak.
Az Azoarcus baktérium ribozim szerkezete. Az IGS-fragmens pirosra van jelölve
Kép: Jessica AM Yeates et al. Portland Állami Egyetem Kémia Tanszéke
Azo körülbelül 200 nukleotid hosszú és két, három vagy négy fragmentumra bontható, amelyek spontán módon összekapcsolódnak 42 Celsius fok mellett MgCl2 oldat jelenlétében. Az ön-összeállítási folyamat a különböző RNS-fragmentumokhoz tartozó két nukleotid triplett (triplett) közötti kölcsönhatással kezdődik. Amikor hidrogénkötések képződnek a hármasok között a komplementaritás elve szerint, a ribozim részei megváltoztatják térbeli szerkezetüket és egyesülnek egymással. A tudósok két olyan fragmentum önálló összeállítási reakciójára összpontosítottak, amelyeket feltételezve WXY-nek és Z-nek neveztek, ahol W, X, Y és Z a ribozim különálló régióit képviseli, körülbelül 50 nukleotid hosszúságú (1. ábra). A W oldalon, az RNS molekula elülső végén az egyik hármas található,amely részt vesz az ön-összeszerelés megindításában, és "belső útmutató sorozatnak" (IGS) hívnak. A WXY végén van egy tag-hármas, amely az IGS-vel kölcsönhatásban erős kovalens kötést képez a Z-fragmentummal.
Promóciós videó:
A kutatók a WXY-fragmensek különböző variánsait (genotípusait) hoztak létre az IGS közepén található nukleotidok és a jelző hármasok (M és N nukleotidok) megváltoztatásával. Mivel az RNS-molekulákat általában csak négy típusú nukleotid alkotja, ilyen variánsok vannak 16. Például az egyik genotípus lehet 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', a másik 5'-GCG-WXY-CUU-3'. A molekulák mindegyik változata versenghet egymással, különféle metabolikus hálókat képezve, amelyekben egy teljes erőforrás - a Z molekula - szükséges egy teljes ribozim helyreállításához.
Az azo ribozim különböző fragmensei közötti reakció egész molekula kialakulásához
Kép: Jessica AM Yeates et al. Portland Állami Egyetem Kémia Tanszéke.
Kísérleteik során a tudósok először megvizsgálták az egyes genotípusok azon képességét, hogy külön-külön önálljanak össze. Amikor M és N Watson-Crick párokat alkotnak (vagyis a komplementaritás elve szerint A - U, C - G), a ribozim önszerelési sebessége magasabb lesz, mint más típusú párok esetén. A kutatók ezután meleg "kis tó" környezetet szimuláltak, amelyben a különböző prebiotikus molekulák kölcsönhatásba lépnek egymással, hogy előnyöket nyerjenek egymástól és felgyorsítsák az önszerveződést. A biokémikusok nyomon követik az egymással párosított genotípusok viselkedését, a tudósok összesen 120 párt vizsgáltak, amelyek két különféle WXY-változatból állnak. Megmérték az egyes reakciók sebességét, amely a két WXY genotípus és a Z fragmentumok molekulái között, különálló csövekben, 30 percig zajlott.
A különféle ribozim-fragmentumok szekvenciáinak kölcsönhatása hidrogénkötések alkalmazásával
Kép: Jessica AM Yeates et al. Portland Állami Egyetem Kémia Tanszéke
A kísérlet mindkét szakaszának eredményeinek egyesítésével és az öngyűjtési arány megszerzésével, amikor két különböző genotípus kölcsönhatásba lép, a kutatók evolúciós kísérletet készítettek. A genotípusokat egyforma arányban kevertük össze, Z-fragmensekkel elláttuk és egymás után öt percig reagáltattuk. Ez idő alatt a tudósok az oldat 10% -át egy új kémcsőbe vették, amelyben az egyes genotípusoknál nem reagált a WXY és a Z-fragmentumok. A tudósok nyolc ilyen transzfer során nyomon követték az egyes WXYZ genotípusok arányát. Ez lehetővé tette a ribozimok generációnkénti evolúciós sikerének kémiai egyenértékű becslését, amelyet "robbanásként" - azaz az RNS önerődésének erőteljes növekedéseként - figyeltünk meg. Egy evolúciós kísérletben a biológusok hét pár ribozim kölcsönhatását vizsgálták.
Az összes laboratóriumi kísérlet alapján a tudósok olyan differenciálegyenletek matematikai modelljét állították elő, amely figyelembe veszi a genotípusok öngyulladásának sebességét más genotípusok jelenlétével vagy anélkül. Ez a modell lett az új evolúciós játékelmélet alapjául, amely meghatározza az RNS-molekulák több viselkedését. Az egyik, „Dominance” elnevezésű genotípus az egyik leggyakrabban előforduló, mint a másik, míg az öngyűjtési arány mindig meghaladja a versenyző sebességét. A másik esetben - az "együttműködés" - mind az egymással kölcsönhatásba lépő genotípusok részesülnek az "együttműködés" előnyeiből, és öngyűjtésük sebessége meghaladja azt a sebességet, amely külön-külön lenne. Az „önző forgatókönyv” - az „Együttműködés” ellentéte - azt jelenti, hogy minden ribozim külön-külön többet kap, mint amikor valaki mással kölcsönhatásba lép. És végülaz "ellen-dominancia" esetében az alacsony öngyűjtési arányú genotípus hirtelen gyakrabban fordul elő, mint versenytársa.
Ez a tanulmány nem az RNS világhipotézisének közvetlen bizonyítására irányul, hanem egy újabb darabot képvisel az prebiotikus evolúció tudományos megértésének rejtvényében. Első alkalommal kimutatták, hogy az egyes molekulák enzimatikus tulajdonságai javíthatók más molekulák jelenlétében, amelyek csak egy vagy két nukleotiddal különböznek egymástól. A hatalmas megoldásban, amely az élet hajnalán volt a Föld óceánja, ezek a molekulák versengtek egymással a szubsztrátokért, együttműködtek és fokozta a működésüket. Mindezek alapján már feltételezhető, hogy a komplex szerves vegyületek miért akarnak egyesülni olyan rendszerekbe, amelyek az első sejtek prototípusai.
Alexander Enikeev