Timp de multe decenii, biologii, chimiștii și chiar matematicienii lucrează la problema originii vieții. Și deși există deja ipoteze fundamentate științific și susținute ale evoluției chimice înainte de apariția primei celule, activitatea continuă în această direcție. „Lenta.ru” vorbește despre un nou studiu asupra problemei lumii ARN, ale cărui rezultate au fost publicate în revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Oamenii de știință de la Universitatea de Stat Portland, care efectuează experimente pe ribozime, au descoperit că capacitatea acestor molecule de a cataliza propriul ansamblu depinde de interacțiunea lor cu alte molecule similare. Studiul susține indirect ipoteza lumii ARN, care afirmă că prima moleculă organică care a devenit baza primelor celule a fost ARN. Aceste molecule de ARN au fost capabile să se auto-sintetizeze, să concureze între ele și să participe la evoluția prebiotică, când compușii de succes au devenit baza complexelor chimice mai complexe.
Mulți oameni știu că celulele vii au catalizatori speciali: enzime, care sunt molecule de proteine pliate complex, care efectuează reacții vitale. Cu toate acestea, enzimele pot fi nu numai proteine, ci și lanțuri ARN. Reamintim că ARN este un acid nucleic, foarte asemănător cu ADN-ul, dar diferă de acesta prin faptul că conține riboza de zahăr (nu dezoxiriboza), iar una dintre bazele azotate, timina, este înlocuită cu uracil. Potrivit oamenilor de știință, ARN a apărut înaintea ADN-ului, deoarece este mult mai labil (structura sa este mai susceptibilă la schimbări) și poate efectua reacții catalitice fără ajutorul proteinelor. Moleculele ARN care sunt enzime se numesc ribozime. De obicei, ribozimele catalizează clivajul de ele sau de alte molecule de ARN.
Unul dintre cele mai bine studiate ribozime este Azo, o enzimă făcută de oamenii de știință din intronii din grupa I care se auto-taie găsită în ADN-ul bacteriei Azoarcus. Intronii sunt regiuni ale genelor care nu conțin informații despre secvența unei proteine sau acid nucleic și sunt excizate în timpul maturizării ARN-ului mesager (ARNm). Toate intronele din grupa I își catalizează propria excizie din secvența ARN. Intron ribozima Azo de interes pentru oamenii de știință este localizată într-o genă care codifică un ARN de transport (ARNt) care poartă aminoacidul izoleucină. În interiorul celulei, Azo, ca și alte ribozime, își desfășoară propria excizie din ARNt, dar în condiții de laborator el a fost capabil să învețe să efectueze splicing invers: ribozima taie la un anumit loc substratul - o moleculă scurtă de ARN cu o secvență specifică de nucleotide,bucăți din care rămân atașate de Azo.
Structura ribozimei bacteriei Azoarcus. Fragmentul IGS este marcat cu roșu
Imagine: Jessica AM Yeates et al. Departamentul de Chimie, Universitatea de Stat Portland
Azo are o lungime de aproximativ 200 de nucleotide și se poate descompune în două, trei sau patru fragmente care se reunesc spontan la 42 de grade Celsius în prezența unei soluții de MgCl2. Procesul de autoasamblare începe cu interacțiunea dintre două triplete de nucleotide (triplete) aparținând unor fragmente de ARN diferite. Când se formează legături de hidrogen între triplete conform principiului complementarității, părțile ribozimei își schimbă structura spațială și se reunesc între ele. Oamenii de știință s-au concentrat pe reacția de auto-asamblare a două fragmente, care au fost numite tentativ WXY și Z, în care W, X, Y și Z reprezintă regiuni separate ale ribozimei cu aproximativ 50 de nucleotide lungime (Fig. 1). Pe locul W, la capătul frontal al moleculei ARN, se află una dintre triplete,care este implicat în inițierea autoasamblării și se numește „secvență de ghid intern” (IGS). La sfârșitul WXY, există un triplet de etichetă care, interacționând cu IGS, formează o legătură covalentă puternică cu fragmentul Z.
Video promotional:
Cercetatorii au creat diferite variante (genotipuri) de fragmente WXY prin schimbarea nucleotidelor situate in mijlocul IGS si a tripletelor tag (nucleotide M si N). Deoarece moleculele de ARN sunt de obicei formate din doar patru tipuri de nucleotide, există 16 astfel de variante. De exemplu, unul dintre genotipuri poate fi 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', iar celălalt 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Toate aceste variante de molecule pot concura între ele, formând diverse rețele metabolice, în care o resursă comună - molecula Z - este necesară pentru a restabili o întreagă ribozimă.
Reacția dintre diferite fragmente de ribozimă Azo pentru a forma o moleculă întreagă
Imagine: Jessica AM Yeates et al. Departamentul de Chimie, Universitatea de Stat Portland.
În experimentele lor, oamenii de știință au testat mai întâi capacitatea fiecărui genotip de a se autoasambla separat. Când M și N formează perechi Watson-Crick (adică conform principiului complementarității, A - U, C - G), rata de autoasamblare a ribozimelor devine mai mare decât pentru alte tipuri de perechi. Cercetatorii au simulat apoi un mediu cald "mic iaz" in care diverse molecule prebiotice interactioneaza intre ele pentru a obtine beneficii unul de la celalalt si pentru a accelera autoorganizarea. Biochimiștii au urmărit comportamentul genotipurilor împerecheate între ele, în total, oamenii de știință au studiat 120 de perechi, constând din două variante WXY diferite. Au măsurat rata fiecărei reacții care a avut loc între moleculele celor două genotipuri WXY și fragmentele de Z în interiorul tuburilor separate timp de 30 de minute.
Interacțiunea dintre secvențele diferitelor fragmente de ribozimă folosind legături de hidrogen
Imagine: Jessica AM Yeates et al. Departamentul de Chimie, Universitatea de Stat Portland
Combinând rezultatele ambelor etape ale experimentului și obținând ratele de auto-asamblare atunci când două genotipuri diferite interacționează, cercetătorii au pus la punct un experiment evolutiv. Perechile de genotipuri au fost amestecate în proporții egale, furnizate cu fragmente de Z și au reacționat între ele timp de cinci minute. În acest timp, oamenii de știință au prelevat 10% din soluție într-o epruvetă nouă, care conținea mai multe WXY nereacționate din fiecare genotip și fragmente de Z. Oamenii de știință au urmărit raporturile fiecărui genotip WXYZ în timpul a opt astfel de transferuri. Acest lucru a făcut posibilă estimarea echivalentului chimic al succesului evolutiv al ribozimelor de-a lungul generațiilor, care a fost observată ca o „explozie” - adică o creștere puternică a vitezei de auto-asamblare a ARN. Într-un experiment evolutiv, biologii au studiat interacțiunea a șapte perechi de ribozime.
Pe baza tuturor experimentelor de laborator, oamenii de știință au derivat un model matematic al ecuațiilor diferențiale care iau în considerare rata de autoasamblare a genotipurilor cu sau fără prezența altor genotipuri. Acest model a devenit baza unei noi teorii evolutive a jocului, care definește mai multe comportamente ale moleculelor de ARN. Într-un caz, numit „Dominance”, unul dintre genotipuri este întotdeauna mai frecvent decât celălalt, în timp ce rata sa de auto-asamblare depășește întotdeauna viteza concurentului. Într-un alt caz - „Cooperare” - ambele genotipuri care interacționează între ele obțin beneficii de la „cooperare”, iar viteza de asamblare a lor se depășește pe cea pe care ar fi avut-o separat unele de altele. „Scenariul egoist” - exact opusul „Cooperării” - înseamnă că fiecare ribozimă primește individual mai mult decât atunci când interacționează cu altcineva. Și, în sfârșitîn „Contro-dominare”, genotipul cu o rată scăzută de auto-asamblare începe brusc să apară mai des decât concurentul său.
Acest studiu nu are ca scop dovedirea directă a ipotezei lumii ARN, ci reprezintă o altă piesă din puzzle-ul de înțelegere științifică a evoluției prebiotice. S-a arătat pentru prima dată că proprietățile enzimatice ale moleculelor individuale pot fi îmbunătățite în prezența altor molecule care diferă doar cu una sau două nucleotide. În soluția gigantică care au fost oceanele pământului în zorii vieții, aceste molecule au concurat între ele pentru substraturi, au cooperat și și-au intensificat acțiunea. Pe baza acestui lucru, se poate presupune deja de ce compușii organici complexi au căutat să se unească în sisteme care sunt prototipuri ale primelor celule.
Alexandru Enikeev
