A Cambridge-i Egyetem tudósai új bizonyítékokat kaptak az RNS világhipotézisének támogatására. Kiderült, hogy a kis aminosavláncok az RNS-sel kombinálva javítják katalitikus tulajdonságaikat, lehetővé téve számukra, hogy kevésbé váljanak függővé a toxikus ionoktól. És ez az első sejtek kialakulásának szükséges feltétele. A "Lenta.ru" a Nature folyóiratban közzétett munkáról beszél.
Az RNS-világ hipotézise szerint az élet egy egyszerű biológiai rendszerből származott, amelyben nem voltak DNS- és proteinmolekulák. RNS-komplexekből állt, amelyek nemcsak genetikai információkat tárolhatnak, hanem kémiai reakciókat is katalizálnak (ebben az esetben ribozimeknek nevezték őket). Más szavakkal, összekapcsolják a DNS és az enzimek funkcióit. Ezután az RNS peptidekkel és dezoxiribonukleinsavval történő kombinációja egysejtű organizmusok kialakulásához vezetett. Felmerül a kérdés: mi volt az előnye az RNS-világ és a fehérjék közötti kölcsönhatásnak?
Úgy gondolják, hogy az RNS-polimerázoknak nevezett ribozimek alkotják az RNS-világ nagy részét. Replikátorok voltak - az önreplikációra képesek tárgyak. Erre a forrás az elsődleges táptalaj nukleotidjai voltak. A ribozimek kezdetben nehezen voltak képesek önmagukat lemásolni, mert katalitikus képességeik még nem fejlõdtek ki. Hibákat követtek el, amelyek mutációkkal rendelkező ribozimeket eredményeztek. Ezek a változások megfoszthatják az RNS-polimerázt a katalizációs képességtől, azonban bizonyos esetekben ez a minőség éppen ellenkezőleg javult. Az idő múlásával a ribozimok gyorsabban és pontosabban szaporodtak, egyre több lett és megnyerték az erőforrások versenyét.
Így a ribozimok voltak az elsődleges genomok, mivel genetikai információkat tároltak a saját szekvenciájukról. Később kapszuláztak a lipid membránok által alkotott részecskékbe, amelyek az első protocellum kialakulásához vezettek. A tudósok képesek az RNS-polimeráz ribozim analógjait szintetizálni, amelyek katalizálják más ribozimek szintézisét, vagy akár ribonukleotidok rövid szekvenciáit másolják. A ribozim-replikátort azonban még mindig nem lehet megszerezni.
Riboszóma Thermus thermophilus
Kép: Public Domain / Wikimedia
Van egy másik probléma is. A laboratóriumokban szintetizált ribozimok csak nagyon magas magnézium-koncentrációban aktívak, amelyek elpusztítják a lipid membránokat. Ez azt jelenti, hogy alapvető összeférhetetlenség van a ribonukleáris RNS polimerázok és a protocell képződés folyamata között.
Promóciós videó:
A helyzetet menti az a tény, hogy az RNS-molekulákat nem különítették el sok más kémiai vegyülettől, például a peptidektől. A ribozimek együttműködhetnek az aminosavszekvenciákkal, amelyek befolyásolták azok működését. Ezt támasztja alá az a tény, hogy a ribozimok, például a spliciceosomák (az érő hírvivő RNS-ből levágott intronok), a riboszómák (részt vesznek a fehérjeszintézisben) és a ribonukleáz P (az RNS lebontásának katalizálása) aktivitása függ a kapcsolódó fehérjéktől. A kutatások kimutatták, hogy bizonyos ribozimekhez kötődő proteinek megváltoztatják másodlagos szerkezetüket és funkciójukat. Így a P ribonukleázok esetében a fehérjék csökkenthetik az aktivitásukhoz szükséges magnézium-ionok koncentrációját. Ezt szem előtt tartva, a tudósok úgy döntöttek, hogy megtudják, vajon a peptidek hasonló módon befolyásolhatják-e az RNS polimeráz ribozimek működését, csökkentve ezek magnéziumtól való függőségét.
A kérdés megválaszolásához nem minden olyan fehérjét kell választani, hanem csak azokat, amelyek valaha kölcsönhatásba léptek az RNS világ ribozimeivel. A tudósok a riboszómák szerkezetére fordultak, amelyek egyfajta molekuláris emlékek. A kutatási eredmények azt mutatják, hogy a modern formájú riboszómák már jelen voltak a LUCA-ban - az összes modern életforma közös őse.
A Thermus thermophilus riboszóma alegységeinek szerkezete
Kép: Philipp Holliger / Cambridge
A riboszóma szerkezetében, amelyet fehérjék, ribonukleinsavak és ionok képeznek, rögzítik evolúcióját. Így a nagy riboszómális alegység alapja magnéziumionokkal dúsítva van. Fokozatosan megnövelte további modulokkal, amelyekben az ionokat peptidokkal cserélték le. A tudósok szerint a ribozimok és az aminosavláncok közötti kapcsolat tükrözi az RNS-világ evolúciós történetét és az RNS-peptid-világba való áttérését. Ezért elemezték a riboszómákból származó peptidek hatását, amelyeket a Föld legrégibb proteinszekvenciáinak tekintnek.
A kutatók több peptidet azonosítottak a Thermus thermophilus baktérium mindkét riboszóma alegységéből, ami fokozta az RNS polimeráz Z ribozim aktivitását, amely az RNS molekulákat replikálja.
A membrán vezikulák fluoreszcens mikroszkópos képe
Kép: MRC Molekuláris Biológiai Laboratórium / Cambridge / Egyesült Királyság
A legjelentősebb hatást azonban a homopolimer lizin dekapeptid (K10), amely tíz lizin molekula aminosav-szekvenciája volt. Támogatta a ribozim-funkciókat alacsony magnézium-koncentrációkban, és peptid-ribozim komplexet képez. A tudósok azt állították, hogy ennek oka a közbenső termékek stabilizálása a katalitikus ciklusban.
Annak tesztelésére, hogy ez a peptid elősegítheti-e a ribozimek aktivitását a membrán rekeszben, a kutatók kísérletet végeztek. Stabil vezikulumokat kaptunk, amelyek foszfolipidekből és diacil-glicerinekből álltak, amelyekben az RNS be volt kapszulázva. 10 millimól magnézium-koncentrációnál (biztonságos a membrán számára) és K10 jelenlétében ribozim-katalizált RNS szintézist figyeltünk meg. Magnézium hiányában azonban a szintézis nem történt.
Ez azt jelzi, hogy a peptidek valóban lehetővé tették a ribozimek számára, hogy katalitikus aktivitást fejtsenek ki a mérgező ionok alacsony koncentrációjánál. Ennek eredményeként csökkent az RNS-polimerázok szervetlen molekuláktól való függősége, ami megkönnyítette azok evolúcióját és végül a sejtek evolúcióját.
Alexander Enikeev