Vedci z University of Cambridge dostali nové dôkazy v prospech hypotézy RNA sveta. Ukázalo sa, že malé aminokyselinové reťazce, keď sa kombinujú s RNA, zlepšujú svoje katalytické vlastnosti, čo im umožňuje byť menej závislé od toxických iónov. A to je nevyhnutná podmienka na vytvorenie prvých buniek. "Lenta.ru" hovorí o práci publikovanej v časopise Nature.
Podľa hypotézy sveta RNA vznikol život z jednoduchého biologického systému, v ktorom neboli molekuly DNA a proteínov. Pozostávala z komplexov RNA schopných nielen uchovávať genetické informácie, ale aj katalyzovať chemické reakcie (v tomto prípade sa nazývali ribozýmy). Inými slovami, kombinovali funkcie DNA a enzýmov. Potom kombinácia RNA s peptidmi a deoxyribonukleovou kyselinou viedla k vzniku jednobunkových organizmov. Vynára sa však otázka: aký bol úžitok z interakcie medzi svetom RNA a proteínmi?
Predpokladá sa, že ribozýmy, nazývané RNA polymerázy, tvoria väčšinu sveta RNA. Boli to replikátory - objekty schopné samoreprodukcie. Zdrojmi na to boli nukleotidy v primárnom bujóne. Na začiatku sa ribozýmy ťažko kopírovali, pretože ich katalytické schopnosti neboli vyvinuté. Urobili chyby, čo malo za následok ribozýmy s mutáciami. Tieto zmeny by mohli pripraviť RNA polymerázu o schopnosť katalyzovať, ale v niektorých prípadoch sa táto kvalita naopak zlepšila. V priebehu času sa ribozýmy množili rýchlejšie a presnejšie, stali sa početnejšími a získali konkurenciu o zdroje.
Ribozýmy boli teda primárnymi genómami, pretože uchovávali genetické informácie o svojej vlastnej sekvencii. Neskôr boli zapuzdrené do častíc tvorených lipidovými membránami, čo viedlo k vytvoreniu prvého protocellusu. Vedci dokážu syntetizovať analógy ribozýmu RNA polymerázy, ktoré katalyzujú syntézu iných ribozýmov alebo dokonca kopírujú krátke ribonukleotidové sekvencie. Stále však nie je možné získať replikátor ribozýmu.
Ribosome Thermus thermophilus
Obrázok: Public Domain / Wikimedia
Je tu tiež iný problém. Ribozýmy syntetizované v laboratóriách sú aktívne iba pri veľmi vysokých koncentráciách iónov horčíka, ktoré ničia lipidové membrány. To znamená, že existuje zásadná nekompatibilita medzi ribonukleovými RNA polymerázami a procesmi tvorby protocelúl.
Propagačné video:
Situácia je zachovaná skutočnosťou, že molekuly RNA neboli izolované z mnohých iných chemických zlúčenín, ako sú peptidy. Ribozýmy mohli spolupracovať s aminokyselinovými sekvenciami, ktoré ovplyvňovali ich funkciu. Toto je tiež podporené skutočnosťou, že aktivita ribozýmov, ako sú spliceozómy (rezané intróny z maturovanej messengerovej RNA), ribozómy (zapojené do syntézy proteínov) a ribonukleáza P (katalyzujú degradáciu RNA), závisia od príbuzných proteínov. Výskum ukázal, že určité proteíny, ktoré sa viažu na ribozýmy, spôsobujú zmeny v ich sekundárnej štruktúre a funkcii. Takže v prípade ribonukleáz P môžu proteíny znižovať koncentráciu iónov horčíka nevyhnutnú pre svoju aktivitu. S týmto vedomím sa vedci rozhodli zistiť, či peptidy môžu podobným spôsobom ovplyvniť funkciu ribozýmov RNA polymerázy, čím znižujú ich závislosť od horčíka.
Na zodpovedanie tejto otázky je potrebné zvoliť nie proteíny, ale iba tie, ktoré kedysi interagovali s ribozýmami sveta RNA. Vedci sa obrátili na štruktúru ribozómov, ktoré sú určitým druhom molekulárnej relikvie. Výsledky výskumu naznačujú, že ribozómy v ich modernej podobe už boli prítomné v LUCA - spoločnom predku všetkých moderných foriem života.
Štruktúra ribozómových podjednotiek Thermus thermophilus
Obrázok: Philipp Holliger / Cambridge
V štruktúre ribozómu tvoreného proteínmi, ribonukleovými kyselinami a iónmi sa zaznamenáva jeho vývoj. Teda základ veľkej ribozomálnej podjednotky je obohatený iónmi horčíka. Postupne bol zarastený ďalšími modulmi, v ktorých boli ióny nahradené peptidmi. Podľa vedcov vzťah medzi ribozýmami a aminokyselinovými reťazcami odráža evolučnú históriu sveta RNA a jeho prechod do sveta RNA a peptidov. Preto sa analyzoval účinok peptidov z ribozómov, ktoré sa považujú za najstaršie proteínové sekvencie na Zemi.
Vedci identifikovali viac peptidov z oboch ribozómových podjednotiek baktérie Thermus thermophilus, ktoré zvyšujú aktivitu RNA polymerázy Z ribozýmu, ktorý replikuje molekuly RNA.
Fluorescenčný mikroskopický obraz membránových vezikúl
Obrázok: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / United Kingdom
Najvýznamnejší účinok však mal homopolymérny lyzín dekapeptid (K10), aminokyselinová sekvencia desiatich molekúl lyzínu. Podporoval funkcie ribozýmu pri nízkych koncentráciách iónov horčíka a tvoril komplex peptid-ribozým. Vedci navrhli, že je to kvôli stabilizácii medziproduktov v katalytickom cykle.
Vedci testovali, či tento peptid môže podporovať aktivitu ribozýmov v membránovom kompartmente. Získali sa stabilné vezikuly, ktoré pozostávali z fosfolipidov a diacylglycerolov, v ktorých bola zapuzdrená RNA. Pri koncentrácii iónov horčíka 10 milimólov (bezpečné pre membránu) a v prítomnosti K10 sa pozorovala syntéza RNA katalyzovaná ribozýmom. V neprítomnosti horčíka však nedošlo k syntéze.
To naznačuje, že peptidy skutočne umožňovali ribozýmom vykonávať katalytickú aktivitu pri nízkych koncentráciách toxických iónov. V dôsledku toho sa závislosť RNA polymeráz od anorganických molekúl znížila, čo uľahčilo ich vývoj a nakoniec vývoj buniek.
Alexander Enikeev