Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Начиная с 1986 года, Феррис провел целую серию экспериментов и доказал, что нуклеотиды более охотно соединяются в цепочки на поверхности монтмориллонита[279]. В 1996-м он вместе с Орджелом продемонстрировал, что находящиеся на поверхности монтмориллонита нуклеотиды способны образовывать цепочки длиной 55 оснований – при условии, что в окружающем растворе достаточно нуклеотидов[280]. Это существенно, поскольку РНК для кодирования генов или выполнения каталитической функции рибозима должна быть достаточно длинной. Монтмориллонит, безусловно, оказался полезен – однако Феррису так и не удалось заставить РНК создавать на его поверхности собственные копии.
Второй обходной путь – предположение, что исходным
Следующим биохимиком-приверженцем Мира РНК стал Гюнтер фон Кедровски, который в 1980-е был учеником Орджела. Ему удалось создать потрясающие самокопирующиеся системы. Например, в 1993 году команда под руководством фон Кедровски разработала систему на основе трех модифицированных нуклеиновых кислот, которые условно обозначили A, B и C. Они были способны объединяться, образуя AB, AC, BC, BB и ABC[284]. Добавив к ним короткие фрагменты нуклеиновых кислот, исследователи увидели поразительное разнообразие химических реакций – тот самый автокаталитический набор, о котором говорил Кауфман. В нем было множество нуклеиновых кислот, каждая из которых производила какую-нибудь другую, словно в медленном танце, поставленном хореографом Басби Беркли.
Многие из использованных Орджелом и фон Кедровски молекул были похожи на соответствующие компоненты РНК и ДНК[285]. И все-таки другие ученые отважились пойти еще дальше.
В 1991 году Петер Нильсен из Университета Копенгагена создал совершенно новую, не обнаруженную в природе нуклеиновую кислоту[286]. В ней также были использованы основания (“буквы” A, T, C и G), однако образующие остов ДНК сахара и фосфаты Нильсен выбросил, заменив их амидами, напоминающими по структуре аминокислоты. Изначально Нильсен назвал свое детище “полиамидная нуклеиновая кислота”, однако позднее это соединение стало известно как “пептидо-нуклеиновая кислота”. Так или иначе, обычно используют аббревиатуру ПНК.
Невзирая на совершенно другую структуру, ПНК ведет себя довольно предсказуемо. Она тоже может образовывать двойную спираль[287]. А еще ученые смогли получить молекулы-гибриды, у которых одна цепочка представляет собой ПНК, а другая ДНК. Мало того: амиды в цепи ПНК имеют более простую структуру, чем нуклеотиды, что может означать и большую вероятность их самопроизвольного образования.
Стэнли Миллер был в восторге. В 1997 году он писал, что открытие ПНК оказалось “настоящей неожиданностью” и что эта молекула “выглядит многообещающе” на фоне “вызывающей сомнения” в качестве первичной биомолекулы РНК[288]. Спустя три года в одной из последних своих статей он описал результаты новой версии своего старого эксперимента. Ему удалось получить те самые амиды, которые служат остовом ПНК. Он полагал, что ПНК могла образоваться на юной Земле сама по себе. Однако его эксперимент был проведен в условиях восстановительной, богатой метаном атмосфере. Как мы видели в главе 6, видимо, у Земли такой атмосферы никогда не было[289].
ПНК – не единственная искусственно созданная в качестве альтернативы РНК нуклеиновая кислота. Другой примечательный
Благодаря этим открытиям на рубеже тысячелетий стала набирать обороты теория, что РНК предшествовал какой-то другой полимер. Однако против этого и было, и есть множество возражений. Первый аргумент очень прост: ни одна из этих альтернативных молекул так и не была обнаружена в живых организмах. Хотя это и может означать, что на ранних этапах развития жизни они были полностью вытеснены РНК и ДНК, все же не исключено, что “альтернативные молекулы” никогда не принимали участия в процессе. Вдобавок хотя такие нуклеиновые кислоты и кажутся устроенными проще, это не обязательно означает, что они образуются с большей вероятностью.
Короче говоря, несмотря на разнообразные сложности, многие исследователи продолжали придерживаться концепции Мира РНК. Ну, а в 2000 году она была одарена одним из самых значимых доказательств за всю свою историю.
Новое открытие касалось рибосом, огромных молекулярных машин. Их задачей является сборка белков в соответствии с инструкцией матричной РНК. Без рибосом не обходится ни один современный организм; были они и у последнего универсального общего предка LUCA. Ученые уже несколько десятилетий знали, что рибосомы состоят из перемешанных между собой белков и РНК и имеют в своей структуре две отличающиеся по размеру субъединицы. И вот в 2000 году исследователям удалось получить структуру рибосом с точностью до отдельных атомов.
Это открытие стало кульминацией двадцатилетних усилий. Все началось в 1980 году, когда Ада Йонат из Института Вейсмана в Израиле первой получила кристалл из фрагмента рибосомы[293]. Это позволило исследовать ее структуру с помощью рентгеновской кристаллографии – того самого метода, благодаря которому Розалинд Франклин изучала ДНК. В 1984 году Йонат уже держала в руках первые рентгеновские снимки[294].
На протяжении следующих пятнадцати лет исследователи, среди которых были Томас Стейтс и Венкатраман Рамакришнан, вдохновившись примером Йонат, добивались того, чтобы получить рентгеновские снимки с более высоким разрешением. Наконец, в 2000 году, группа Стейтса опубликовала детальную структуру большой субъединицы рибосомы, показав, что ее каталитически активная часть образована РНК[295]. Иными словами, кратко подытожил Томас Чек, “рибосома оказалась рибозимом”[296]. Несколько недель спустя коллективы под руководством Йонат и Рамакришнана опубликовали модель уже малой субъединицы примерно с тем же разрешением, что означало удачное завершение проекта в целом[297]. В 2009 году трое ученых получили общую Нобелевскую премию по химии[298].
Трудно переоценить значение этого открытия для гипотезы Мира РНК. Без сомнения, полученное доказательство было неопровержимым. Рибосома является самым важным компонентом живых организмов, а его основой, как оказалось, служит РНК. Это подразумевает, что первая рибосома могла состоять исключительно из данной нуклеиновой кислоты. Вероятно, такие примитивные рибосомы были просто маленькими молекулами РНК, которые могли связывать аминокислоты. И когда две такие РНК соединялись в дуплекс, аминокислоты могли сближаться друг с другом и образовывать связи.