Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Разгадка оказалась одновременно простой и удивительной: кусок от себя отрезала сама РНК! Она умела изгибаться и, подобно ферменту, “перерезать” химические связи на другом конце собственной молекулы. Это была первая известная РНК, которая, как и ферменты, имела каталитическую активность[265]. В ходе “относительно умеренных торжеств”, устроенных по этому поводу в лаборатории, Чек и его коллеги взялись обсуждать название для своего нового открытия и остановились на термине “рибозим” – аналог фермента (энзима), представляющий собой рибонуклеиновую кислоту (РНК).
Когда Крик и Орджел выдвинули предположение, что биологические катализаторы на основе РНК
Прошел год, и в 1983-м был обнаружен второй рибозим. Им стала рибонуклеаза P, способная “нарезать” РНК на небольшие кусочки. Она представляет собой цепочку РНК и белок, переплетенные так, что вся конструкция напоминает помятый гриб. Сидни Олтмену[266] из Йельского университета удалось доказать, что данная РНК может и сама по себе выполнять химические реакции[267]. В отличие от отрезающего от себя кусок рибозима Чека, эта молекула в ходе химической реакции оставалась неизменной, то есть была “истинным катализатором”.
Открытие рибозимов стало важным стимулом для публикации Уолтером Гилбертом статьи, анонсировавшей Мир РНК. Гилберт собрал вместе ряд отдаленно связанных предположений и фактов и свел их в единую теорию. После долгих лет прозябания в трясине проблема зарождения жизни воспряла и вернула себе привлекательность.
Стал более интенсивным и поиск способной к саморепликации РНК – важного участника гипотезы о Мире РНК. Подтолкнул ученых к этому все тот же Чек, команда которого в 1988 году показала, что рибозим тетрахимены способен присоединять нуклеотиды к молекуле-затравке и тем самым создавать фрагменты нуклеиновых кислот длиной в 10–11 нуклеотидов[268]. Чек, некогда довольно настороженно относившийся к связи его работы с зарождением жизни, теперь вовсю втянулся в проблему и писал о том, что эти данные “подтверждают теории о саморепликации пребиотической РНК”.
Все это вдохновило ученого по имени Джек Шостак на поиск более совершенного рибозима. Группа ученых[269] под его началом продемонстрировала, что рибозим способен соединять несколько коротких нуклеиновых кислот в одну большую – в том случае, если они расположены вдоль цепочки, служащей матрицей[270].
Хотя это и выглядело весьма многообещающе, однако два года спустя был получен еще более значительный результат. Студент Дэвид Бартел создал большое количество РНК со случайной последовательностью и проверил их на каталитическую активность. Ученый извлек РНК с этими свойствами, случайным образом изменил их последовательность и заново оценил активность. Десять раундов спустя Бартел получил рибозим, способный соединять вместе два меньших фрагмента РНК почти так же, как это делают современные белки-ферменты[271].
Однако данный рибозим не создавал собственных копий – он синтезировал какую-то другую РНК. Поэтому о саморепликации говорить было преждевременно. Годом ранее Орджел уверенно заявлял, что “это станет возможно в ближайшие десять лет”[272]. Он ошибся: хотя исследователи и приблизились к получению способной копировать себя РНК, сделать этого им пока не удалось.
Большим шагом вперед стал созданный в 2001 году Бартелом рибозим R18[273]. Он мог наращивать имеющийся фрагмент РНК, присоединяя к нему нуклеотиды в строго определенном
Вероятно, самая успешная попытка создания саморепликатора принадлежит Филиппу Холлигеру из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания. В 2011 году его коллектив модифицировал R18 – его новую версию обозначили как tC19Z[274]. Эта РНК уже могла копировать 95 нуклеотидов своей последовательности, то есть 48 % собственной длины. Очень неплохо, но все же по-прежнему недостаточно.
В свое время Холдейн предугадал эту проблему. На конференции в Уэйкулле в 1963 году биохимик Джон Бьюкенен спросил его, может ли РНК быть скопирована без фермента белковой природы[275]. Холдейн не считал это возможным. “А я думаю, что в принципе может”, – сказал Бьюкенен, на что Холдейн ответил кратко: “Успехов. Я надеюсь, что это действительно так”.
Есть, конечно, шанс, что однажды кто-нибудь сможет создать РНК, способную копировать саму себя. Но разве все эти неудачи не заставляют нас задуматься? Если такой рибозим никак не удается получить в чистой лаборатории, в которой кто-то усиленно над этим работает, то каковы шансы его самопроизвольного образования в хаосе первозданной Земли?
Это затруднение навело многих на мысль, что с концепцией самореплицирующейся РНК что-то не так. И, как следствие, с Миром РНК в понимании Гилберта тоже.
Однако идею о самореплицирующейся РНК не обязательно отвергать полностью – ее можно просто подкорректировать. Среди популярных вариантов – мысль о том, что РНК не плавала свободно в первичном бульоне, а находилась на некоей поверхности, возможно, на поверхности минерала вроде глины. (Это не то же самое, что предполагал в своей теории Кернс-Смит из главы 5. Тот считал, что глина могла эволюционировать сама по себе, а новая гипотеза отводит ей вспомогательную роль в эволюции РНК.)
Такое новое применение глины рассматривал американский биохимик Джеймс (“Джим”) Феррис[276]. Проблемой зарождения жизни он начал заниматься с 1960-х годов, когда сотрудничал с Орджелом. К концу 1980-х ему было уже за пятьдесят, а его карьера, вне всякого сомнения, находилась в зените. Когда Мир РНК приобрел популярность, Феррис обратил внимание на один из глинистых минералов – монтмориллонит[277]. Он образуется при выветривании вулканического пепла, так что на юной, покрытой действующими вулканами Земле его было предостаточно.
У монтмориллонита есть две важные особенности. Первая заключается в том, что молекулы вроде нуклеотидов с легкостью прикрепляются к его поверхности, образуя тонкую пленку. Этот процесс называется адсорбция, и он напоминает абсорбцию – разница лишь в том, что при адсорбции нуклеотиды не попадают внутрь глины. Вторая важная особенность монтмориллонита – его каталитические свойства, то есть способность ускорять химические взаимодействия между попавшими внутрь него молекулами. Монтмориллонит содержит металлы, в том числе магний, который необходим ферментам. Большая часть этих предположений была высказана четырьмя десятилетиями ранее Берналом – в лекции 1947 года[278], однако развивать эту тематику взялся именно Феррис.