Znanstvenici sa Sveučilišta u Cambridgeu dobili su nove dokaze u korist hipoteze o RNA svijetu. Pokazalo se da mali lanci aminokiselina, u kombinaciji s RNA, poboljšavaju njihova katalitička svojstva, omogućujući im da postanu manje ovisni o toksičnim ionima. A to je nužan uvjet za formiranje prvih stanica. "Lenta.ru" govori o radu objavljenom u časopisu Nature.
Prema hipotezi svijeta RNA, život je nastao iz jednostavnog biološkog sustava u kojem nije bilo molekula DNA i proteina. Sastojao se od RNA kompleksa sposobnih ne samo pohranjivati genetske informacije, već i katalizirati kemijske reakcije (u ovom slučaju nazvani su ribozimi). Drugim riječima, oni su kombinirali funkcije DNK i enzima. Tada je kombinacija RNA s peptidima i deoksiribonukleinskom kiselinom dovela do pojave jednoćelijskih organizama. Međutim, postavlja se pitanje: koja je bila korist od interakcije između RNA svijeta i proteina?
Smatra se da su ribozimi, nazvani RNA polimeraza, činili većinu svijeta RNA. Bili su replikatori - objekti sposobni za samo-replikaciju. Sredstva za to bili su nukleotidi u primarnom juhu. U početku su se ribozimi teško kopirali jer njihove katalitičke sposobnosti nisu razvijene. Napravili su pogreške, što je rezultiralo ribozimima mutacijama. Te bi promjene RNA polimerazi mogle oduzeti sposobnost katalizacije, no u nekim se slučajevima ta kvaliteta, naprotiv, poboljšala. S vremenom su se ribozimi reproducirali brže i točnije, postali mnogobrojniji i pobijedili u konkurenciji za resurse.
Dakle, ribozimi su bili primarni genomi, budući da su pohranili genetske podatke o vlastitom slijedu. Kasnije su inkapsulirane u čestice koje su formirane lipidnim membranama, što je dovelo do stvaranja prve protocelije. Znanstvenici su u mogućnosti sintetizirati analoge RN-polimeraznog ribozima, koji kataliziraju sintezu drugih ribozima, ili čak kopirati kratke sekvence ribonukleotida. Međutim, još uvijek nije moguće dobiti ribozim-replikator.
Ribosome Thermus thermophilus
Slika: Javna domena / Wikimedia
Postoji i drugi problem. Ribocimi sintetizirani u laboratorijima aktivni su samo u vrlo visokim koncentracijama magnezijevih iona koji uništavaju lipidne membrane. To znači da postoji temeljna nespojivost između ribonukleinske RNA polimeraze i procesa stvaranja protocela.
Promotivni video:
Situaciju spašava činjenica da molekule RNA nisu izolirane od mnogih drugih kemijskih spojeva, poput peptida. Ribocimi su mogli surađivati s aminokiselinskim nizovima, što je utjecalo na njihovu funkciju. Tome u prilog ide i činjenica da aktivnost ribozima, kao što su spliceosomi (izrezani introni iz RUS-a sazrijevanja), ribosomi (koji sudjeluju u sintezi proteina) i ribonukleaza P (kataliziraju razgradnju RNA), ovise o srodnim proteinima. Istraživanja su pokazala da određeni proteini koji se vežu za ribozime uzrokuju promjene u njihovoj sekundarnoj strukturi i funkciji. Dakle, u slučaju ribonukleaze P, proteini mogu smanjiti koncentraciju magnezijevih iona potrebnih za njihovu aktivnost. Imajući to u vidu, znanstvenici su odlučili otkriti mogu li peptidi na sličan način utjecati na funkciju ribocime RNA polimerazom, smanjujući njihovu ovisnost o magnezijumu.
Za odgovor na ovo pitanje potrebno je odabrati ne proteine, već samo one koji su nekoć bili u interakciji s ribozimima svijeta RNA. Znanstvenici su se okrenuli strukturi ribosoma koji su svojevrsni molekulski relikt. Rezultati istraživanja pokazuju da su ribosomi u svom modernom obliku već bili prisutni u LUCA - zajedničkom pretku svih modernih životnih oblika.
Struktura ribosomskih podjedinica Thermus thermophilus
Slika: Philipp Holliger / Cambridge
U strukturi ribosoma koju tvore proteini, ribonukleinske kiseline i ioni bilježi se njegova evolucija. Dakle, osnova velike ribosomske podjedinice obogaćena je ionima magnezija. Postupno je obrastao dodatnim modulima u kojima su ioni zamijenjeni peptidima. Prema znanstvenicima, odnos između ribozima i lanaca aminokiselina odražava evolucijsku povijest svijeta RNA i njegov prijelaz u svijet RNA-peptida. Zato je analiziran učinak peptida iz ribosoma, koji se smatraju najstarijim proteinskim nizovima na Zemlji.
Istraživači su identificirali više peptida iz obje podjedinice ribosoma bakterije Thermus thermophilus, što je pojačalo aktivnost RNA polimeraze Z ribozimom, koji replicira RNA molekule.
Fluorescentna mikroskopska slika membranskih vezikula
Slika: MRC Laboratorij za molekularnu biologiju / Cambridge / Ujedinjeno Kraljevstvo
Međutim, najznačajniji učinak imao je homopolimerni lizin dekapeptid (K10), niz aminokiselina od deset molekula lizina. Podržavao je funkciju ribozima u malim koncentracijama magnezijevih iona, tvoreći peptid-ribozimski kompleks. Znanstvenici su predložili da je to zbog stabilizacije intermedijara u katalitičkom ciklusu.
Kako bi testirali može li ovaj peptid potaknuti aktivnost ribozima u membranskom odjeljku, istraživači su proveli eksperiment. Dobijene su stabilne vezikule, koje se sastoje od fosfolipida i diacilglicerola, unutar kojih je RNA inkapsulirana. U koncentraciji magnezijevih iona od 10 milimola (sigurnoj za membranu) i u prisutnosti K10, uočena je sinteza RNA-katalizirane ribozomom. U nedostatku magnezija, međutim, nije došlo do sinteze.
To ukazuje da su peptidi doista omogućili ribozimima da sprovedu katalitičku aktivnost u malim koncentracijama toksičnih iona. Kao rezultat, smanjila se ovisnost RNA polimeraza o anorganskim molekulama, što je olakšalo njihovu evoluciju i, u konačnici, evoluciju stanica.
Aleksandar Enikeev