Ученые приблизились к разгадке тайны происхождения жизни

Американские ученые из Портлендского государственного университета выяснили, что молекулы-рибозимы способны к самопроизводству при взаимодействии с другими такими же молекулами. Исследование косвенно подтверждает гипотезу о том, что первой органической молекулой, ставшей основой для первых клеток, была РНК. Молекулы РНК обладали способностью размножаться и участвовать в эволюции, когда наиболее успешные соединения ложились в основу более сложных химических соединений. Результаты исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

По мнению ученых, РНК появилась раньше ДНК, поскольку ее структура более подвержена изменениям и может осуществлять каталитические реакции без помощи белков. Молекулы РНК, являющиеся ферментами, называются рибозимами. Как правило, рибозимы катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК.

В рамках исследования ученые анализировали реакции самовоспроизводства двух фрагментов, которые условно назвали WXY и Z, где W, X, Y и Z представляют собой отдельный участки рибозима длиной примерно в 50 нуклеотидов. Исследователи создали различные варианты (генотипы) фрагментов WXY, меняя нуклеотиды, так как молекулы РНК обычно образованы всего четырьмя типами нуклеотидов. В ходе экспериментов ученые сначала проверили способность каждого генотипа к самосборке по отдельности. Затем исследователи смоделировали условия теплого «маленького пруда», в котором различные пребиотические молекулы, взаимодействуя между собой, приобретают выгоды друг от друга и ускоряют процессы самоорганизации. Биохимики проследили за поведением генотипов в паре друг с другом, всего ученые изучили 120 пар, состоящих из двух непохожих вариантов WXY. Они измерили скорость каждой реакции, проходившей между молекулами двух генотипов WXY и фрагментами Z внутри отдельных пробирок на протяжении получаса.

Совместив результаты обоих этапов эксперимента и получив скорости самосборки при взаимодействии двух различных генотипов, исследователи поставили эволюционный эксперимент. Пары генотипов были смешаны в одинаковой пропорции, снабжены Z-фрагментами и реагировали друг с другом в течение 5минут. В течение этого времени ученые отбирали 10% раствора в новую пробирку, в которой присутствовало большее количество непрореагировавших WXY каждого генотипа и Z-фрагменты. Ученые отслеживали соотношения каждого WXYZ-генотипа в течение восьми таких переносов. Это позволило оценить химический эквивалент эволюционной успешности рибозимов в течение поколений. В эволюционном эксперименте биологи изучали взаимодействие семи пар рибозимов.

На основе этих экспериментов ученые составили математическую модель в виде дифференциальных уравнений, учитывающих скорость самосборки генотипов в присутствие других генотипов или без них. Эта модель стала основой для новой эволюционной теории игр, где определяются несколько поведений молекул РНК.