Биологи из Инстититута Скриппса в ходе эксперимента по «эволюции-в-пробирке» получили молекулу РНК, которая способна катализировать синтез других РНК. Предполагается, что на заре возникновения жизни появление подобных молекул должно было стать переломной точкой между химической и биологической эволюцией. И, хотя такие РНК-ферменты уже делали в подобных системах, новая молекула обладает существенно большей универсальностью. Работа опубликована Proceedings of the National Academy of Sciences.

РНК, в отличие от ДНК, способна образовывать сложную трехмерную структуру и благодаря этому может выступать в роли фермента— ускорять протекание химических реакций (подробнее об отличиях можно прочитать здесь). РНК-ферменты называются рибозимами (ribo nycleotideen zymes), и диапазон реакций, которые они способны катализировать, достаточно широк. Некоторые рибозимы даже специально выращиваются для практического применения в лабораторных тест-системах.

Однако биологов больше интересуют рибозимы, которые можно рассматривать как следы древнего РНК-мира — состояния возникающей жизни до момента появления современной системы синтеза белков. К таким следам относятся, например, РНК-интроны, которые вырезают сами себя из созревающей матричной РНК, РНК-затравки фермента теломеразы, работа которого необходима для синтеза ДНК на концах хромосом, и так далее. Главным свидетельством существования мира РНК является, конечно, рибосома — молекулярная машина, ядро которой составляет именно РНК, катализирующая синтез белков.

Графики ПЦР реального времени на РНК при разном разведении рибозима. David P. Horninga, Gerald F. Joycea, PNAS, 2016

Гипотеза мира РНК принимается сейчас большинством специалистов по происхождению жизни и хорошо разработана (свежий обзор работ на эту тему можно прочитать здесь). Однако ключевой для этой гипотезы остается проблема возникновения рибозимов-полимераз, которые могли бы обеспечивать репликацию РНК. Без таких молекул (или ансамблей молекул) невозможно представить возникновение дарвиновской эволюции. Эксперименты по созданию таких молекул в лаборатории продолжаются более 20 лет,и на данный момент ученым удалось достичь скромных успехов.

Проводятся подобные эксперименты по следующей схеме. Исследователи берут некую исходную РНК-молекулу или просто случайную РНК-цепочку и амплифицируют ее в пробирке— то есть создают множество копий исходной РНК, в том числе со случайными мутациями. Затем проводится отбор молекул — например, на их способность катализировать присоединение нуклеотида к затравке. Отбираются только лучшие молекулы, которые затем снова амплифицируются и проходят следующий цикл отбора.

Такой метод ускоренной эволюции на сегодняшний день позволил биологам создать несколько молекул, которые более-менее удачно катализируют полимеризацию десятков РНК-нуклеотидов на РНК-матрице. Недавно группе из Кембриджа удалось создать рибозим, который может катализировать полимеризацию до двух сотен нуклеотидов— это уже цифра, превышающая длину большинства самих рибозимов. Однако до сих пор все полученные рибозимы-полимеразы очень капризны по отношению к природе синтезируемой РНК. Так, в кембриджской работе с рекордной длиной речь шла о специальной, удобной для этого рибозима матрице, а не о репликации рибозимом самого себя — такая молекула считается«Святым Граалем» в данной области и до сих пор никем не получена.

Капризность рибозимов-полимераз не случайна, а имеет фундаментальную природу. Дело в том,что хорошая с точки зрения полимеразы матрица должна иметь линейную структуру и не формировать узлов и петель вторичной структуры.С другой стороны, если РНК не образует узлов и петель, ей «нечем будет работать», то есть она не сможет выполнять какую-либо значимую функцию. В попытке преодолеть это противоречие авторы новой работы разработали новый механизм отбора полимераз, который аксимизирует не длину синтезируемого продукта, а его функциональную способность— например, способность связывать какое-то вещество.

Схема отбора РНК-полимеразного рибозима. Розовая затравка, синяя — синтезированная РНК, зеленым показан цианокоболамин на хроматографическом носителе. David P. Horninga, Gerald F. Joycea, PNAS, 2016
.[image]

«Эволюция в пробирке», которую проводили авторы,начиналась с известной РНК-полимеразы, в последовательность которой вводилось около 10 процентов мутаций. Таким образом формировался пул уникальных рибозимов размером около 10¹⁴ штук. Рибозим должен был катализировать удлинение РНК-затравки на основе РНК матрицы, причем затравка была ковалентно присоединена к рибозиму. После того как происходило удлинение затравки, затравка и вновь синтезированная РНК могли вместе сформировать третичную структуру, которая и использовалась для отбора. Например,если РНК-продукт должен был связывать витамин цианокобаламин, то отбирались именно те комплексы продукт-рибозим, которые связывались на хроматографической колонке с цианокобаламином. Эти комплексы затем расшивались и удачные варианты рибозимов амплифицировались. После 24 циклов такого отбора ученые получили несколько вариантов рибозима,существенного отличающегося от исходной молекулы.

Как оказалось, новая молекула (она получиланазвание 24–3) в среднем в сто раз быстрее синтезирует нуклеотиды, чем исходный вариант и, что важнее, ей практически безразличен нуклеотидный состав матрицы.Точность синтеза при этом оказалась несколько ниже исходной (около 92 процентов— точность самых «плохих» природных полимераз составляет около 99 процентов). С помощью новой молекулы авторы провели синтез природной фенилаланиновой транспортной РНК и даже сделали РНК-вариант полимеразной цепной реакции, ПЦР. В ходе ПЦР матрица многократно амплифицируется в ходе нескольких этапов синтеза. Следует отметить, что для РНК-ПЦР ученые использовали очень короткую и простую матрицу. Сама себя рибозим-полимераза синтезировать не смогла.

Проблема возникновение рибозим-полимераз и автономных репликаторов вообще остается одной из самых трудных в области исследования происхождения жизни. Дело в том, что для возникновения дарвиновской эволюции недостаточно появления просто точных полимераз, они должны быть при этом еще и компактными — иначе непонятно, как объяснить их случайное возникновение. Если говорить правильнее, речь идет о соотношении между точностью репликатора и объемом наследственной информации — эти величины связаны так называемым порогом Эйгена. Дарвиновская эволюция становится возможна только выше порога Эйгена, ниже которого мутационная катастрофа и вымирание неизбежны. 

Автор: Александр Ершов