Oamenii de știință de la Universitatea din Cambridge au primit noi dovezi în favoarea ipotezei lumii ARN. S-a dovedit că micile lanțuri de aminoacizi, atunci când sunt combinate cu ARN, își îmbunătățesc proprietățile catalitice, permițându-le să devină mai puțin dependente de ioni toxici. Și aceasta este o condiție necesară pentru formarea primelor celule. „Lenta.ru” vorbește despre lucrarea publicată în revista Nature.
Conform ipotezei lumii ARN, viața a apărut dintr-un sistem biologic simplu în care nu existau molecule de ADN și proteine. Acesta consta din complexe ARN capabile să nu stocheze doar informații genetice, ci și să catalizeze reacțiile chimice (în acest caz, au fost numite ribozime). Cu alte cuvinte, au combinat funcțiile ADN-ului și enzimelor. Apoi combinarea ARN cu peptide și acid dezoxiribonucleic a dus la apariția organismelor unicelulare. Cu toate acestea, apare întrebarea: care a fost beneficiul din interacțiunea dintre lumea ARN și proteine?
Se consideră că ribozimele, numite ARN polimeraze, au constituit cea mai mare parte a lumii ARN. Erau replicatori - obiecte capabile de auto-replicare. Resursele pentru aceasta au fost nucleotidele din bulionul primar. La început, ribozimele le-a fost greu să se copieze, deoarece abilitățile lor catalitice nu au fost dezvoltate. Au făcut greșeli, care au avut ca rezultat ribozimele cu mutații. Aceste modificări ar putea să priveze ARNA polimeraza de capacitatea de a cataliza, însă, în unele cazuri, această calitate, dimpotrivă, s-a îmbunătățit. De-a lungul timpului, ribozimele s-au reprodus mai rapid și mai precis, au devenit mai numeroase și au câștigat competiția pentru resurse.
Astfel, ribozimele au fost genomii primari, deoarece au stocat informații genetice despre propria lor secvență. Ulterior, acestea au fost încapsulate în particule formate din membrane lipidice, ceea ce a dus la formarea primului protocol. Oamenii de știință sunt capabili să sintetizeze analogi ai ribozimelor ARN polimerazei, care catalizează sinteza altor ribozime, sau chiar să copieze secvențe scurte de ribonucleotide. Cu toate acestea, nu este încă posibilă obținerea unui replicator ribozim.
Ribosome Thermus thermophilus
Imagine: Domeniu public / Wikimedia
Există și o altă problemă. Ribozimele sintetizate în laboratoare sunt active numai la concentrații foarte mari de ioni de magneziu, care distrug membranele lipidice. Aceasta înseamnă că există o incompatibilitate fundamentală între ARN polimerazele ribonucleice și procesele de formare a proteavelor.
Video promotional:
Situația este salvată de faptul că moleculele de ARN nu au fost izolate de mulți alți compuși chimici, cum ar fi peptidele. Ribozimele ar putea coopera cu secvențe de aminoacizi, care le-au afectat funcția. Acest lucru este susținut și de faptul că activitatea ribozimelor, cum ar fi spliceozomii (care elimină intronii din ARN-ul mesagerului maturizat), ribozomii (participând la sinteza proteinelor) și ribonucleasa P (catalizând degradarea ARN) depind de proteinele înrudite. Cercetările au arătat că anumite proteine care se leagă de ribozime provoacă modificări în structura și funcția lor secundară. Astfel, în cazul ribonucleazelor P, proteinele pot reduce concentrația ionilor de magneziu necesare activității lor. Având în vedere acest lucru, oamenii de știință au decis să afle dacă peptidele ar putea afecta funcția ribozimelor ARN polimerazei într-un mod similar, reducând dependența lor de magneziu.
Pentru a răspunde la această întrebare, este necesar să alegeți nu proteine, ci doar cele care au interacționat odată cu ribozimele lumii ARN. Oamenii de știință au apelat la structura ribozomilor, care sunt un fel de relicvă moleculară. Rezultatele cercetărilor indică faptul că ribozomii în forma lor modernă erau deja prezenți în LUCA - strămoșul comun al tuturor formelor de viață moderne.
Structura subunităților ribozomului Thermus thermophilus
Imagine: Philipp Holliger / Cambridge
În structura ribozomului, format din proteine, acizi ribonucleici și ioni, se înregistrează evoluția acestuia. Astfel, baza subunității ribozomale mari este îmbogățită cu ioni de magneziu. Treptat, a fost supraîncărcat cu module suplimentare în care ionii au fost înlocuiți de peptide. Potrivit oamenilor de știință, relația dintre ribozime și lanțurile de aminoacizi reflectă istoria evolutivă a lumii ARN și tranziția sa la lumea ARN-peptidică. De aceea, a fost analizat efectul peptidelor din ribozomi, care sunt considerate cele mai vechi secvențe proteice de pe Pământ.
Cercetătorii au identificat peptide multiple din ambele subunități ribozom ale bacteriei Thermus thermophilus, care au îmbunătățit activitatea ARN polimerazei Z ribozimă, care reproduce molecule de ARN.
Imaginea microscopică fluorescentă a veziculelor membranare
Imagine: MRC Laboratorul de Biologie Moleculară / Cambridge / Marea Britanie
Cu toate acestea, efectul cel mai semnificativ a fost deținut de depaptida homopolimerică de lizină (K10), o secvență de aminoacizi din zece molecule de lizină. A susținut funcțiile ribozime la concentrații mici de ioni de magneziu, formând un complex peptid-ribozim. Oamenii de știință au sugerat că acest lucru se datorează stabilizării intermediarilor în ciclul catalitic.
Pentru a testa dacă această peptidă ar putea promova activitatea ribozimelor din compartimentul membranei, cercetătorii au efectuat un experiment. Au fost obținute vezicule stabile, formate din fosfolipide și diacilgliceroli, în interiorul cărora ARN-ul a fost încapsulat. La o concentrație de ioni de magneziu de 10 milimetri (sigur pentru membrană) și în prezența K10, s-a observat sinteza ARN-catalizat de ribozimă. În absența magneziului, însă, sinteza nu a avut loc.
Acest lucru indică faptul că peptidele au permis într-adevăr ca ribozimele să desfășoare activitate catalitică la concentrații mici de ioni toxici. Drept urmare, dependența ARN polimerazelor de moleculele anorganice a scăzut, ceea ce a facilitat evoluția acestora și, în final, evoluția celulelor.
Alexandru Enikeev
