Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Последнее обстоятельство оказалось самым существенным. Из главы 8 мы помним, что монтмориллонит ускоряет образование молекул РНК и их удлинение, поскольку те располагаются на поверхности минерала и растут на ней. Получая описанным выше способом везикулы с зернами монтмориллонита внутри, команда Шостака создала идеальное хранилище для РНК. Далее ученые добавляли РНК к зернам монтмориллонита и использовали эти последние, чтобы вызвать образование везикул. Оказалось, что каждая такая везикула несла в себе зерно монтмориллонита, покрытое РНК. Важно также, что молекулы РНК из них “не вываливались”.
Выглядело все весьма элегантно: один-единственный минерал помог ученым создать на основе самого скудного набора соединений более сложные протоклетки
Следующие эксперименты показали, что протоклетки также способны расти за счет поглощения липидов из окружающей среды. Этот процесс оказался довольно привередливым: он происходил только при медленном добавлении новых мицелл. И все-таки он был возможен, что и продемонстрировал в 1990-е годы Луизи.
Эта же исследовательская группа сумела заставить протоклетки создавать похожие на себя “дочерние” копии – в ходе процесса, напоминающего деление: крупные везикулы продавливали через очень мелкие отверстия в ткани, придавая им форму сосиски. Полученные “сосиски” оказались неустойчивыми и быстро распадались на множество мелких везикул, так что на обычное деление клетки (с образованием двух дочерних) это походило уже не слишком, но важнее здесь то, что везикулы в процессе растеряли не всю свою РНК. В последнем эксперименте из этой серии протоклетки подвергли повторяющимся циклам роста и деления – подобное проделывают с поддерживаемой в лаборатории культурой бактерий.
В протоклетках Шостака не было ни белков, ни ферментов, ни прочей обычной для клетки машинерии. И тем не менее их сходство с живым потрясает. “Данные эксперименты стали принципиальным доказательством того, что рост и деление везикул обусловлены простыми физико-химическими явлениями и не требуют участия какой-либо сложной биохимической машинерии”, – таков был вывод ученых. Вообще-то, они явно себя недооценили. Как мы убедились в главах 4 и 6, современные клетки имеют очень сложное устройство – в них работают сообща тысячи различных компонентов. А протоклетки Шостака – несмотря на то, что они состоят всего из нескольких соединений, – воспроизводят многие фундаментальные свойства живого. Как известно, Нильс Бор говорил, что тот, кого не испугала квантовая механика, совершенно ее не понял. То же можно сказать и об экспериментах Шостака: с учетом того, насколько просто устроены протоклетки Шостака, их сходство с настоящими поистине поражает.
Статья с этими результатами была опубликована в 2003 году, спустя полвека после проведения Миллером его эпохального эксперимента, который показал возможность самопроизвольного образования биологических молекул[463]. Это были пять десятилетий застоя и вязких непродуктивных споров. Но теперь они подошли к концу и наука о зарождении жизни быстро продвигается вперед. Причем это касается как экспериментальных исследований, так и теории.
В течение десяти последующих лет ученые убедились, что их протоклетки еще более универсальны, чем казалось вначале[464]. Всего через год они продемонстрировали, насколько слаженно могут работать РНК и его липидное пристанище. Ранее Шостак и Луизи предлагали связать их воедино за счет того, что рибозимы внутри создавали новые липиды для оболочки. Но теперь группа Шостака придумала кое-что более простое.
Когда в везикуле становится слишком много РНК, давление на мембрану возрастает и она растягивается, как полный продуктов полиэтиленовый пакет. Шостак и его сотрудники выяснили, что подобные “растянутые” протоклетки могут забирать липиды у соседних везикул, которые не содержат РНК. Такие протоклетки по сути конкурируют между собой за “строительный материал”, то есть за липиды. Победителем из этой борьбы выходит тот, в ком больше РНК. Законы физики мембран стимулируют и рост наполненных РНК везикул, и уменьшение пустых везикул. По мнению ученых, это простое соревнование “могло сыграть важную роль в запуске эволюции по Дарвину”[465]. В частности, протоклетки, содержащие
Вдобавок протоклетки оказались очень устойчивы. Они выдерживали и охлаждение до 0 °C, и нагрев до 100 °C[466]. Из этого следует, что они могли бы существовать в гидротермальных источниках – как на суше, так и в океане. Мало того: нагревание открыло их новые возможности. В горячем виде они свободно пропускали внутрь небольшие молекулы вроде нуклеотидов – при нормальной температуре это невозможно. Получается, что в нагретом состоянии протоклетки могли “питаться”, вбирая в себя новый материал.
И все же была тут одна проблема. Как именно могло происходить деление протоклеток, то есть, по сути, их размножение?[467] В исходном эксперименте протоклетки необходимо было продавливать через крошечные отверстия и тем самым изменять их форму, однако это выглядит искусственно и вряд ли действительно происходило миллиарды лет назад. К тому же при таком продавливании протоклетки теряли часть своих РНК. Требовалось придумать что-то другое, получше.
Для решения этой проблемы было предложено два остроумных способа, причем предложено одним и тем же человеком – студентом Тинг Чжу. В 2009 году он и Шостак получили протоклетки, которые имели несколько слоев мембран и потому напоминали луковицы[468]. Когда им “скармливали” липиды, они превращались в более крупные вытянутые цепочки. Такие цепочки оказались хрупкими, поэтому даже небольшое движение окружающего раствора разрушало их, создавая десятки новых протоклеток, сохраняющих при этом свое содержимое. А спустя три года Чжу придумал и второй способ[469]: сначала везикулам-“сосискам” давали определенные небольшие молекулы, а потом подвергали везикулы действию света. Это запускало химические реакции, из-за которых везикулы начинали делиться. Так что протоклетки, способные к независимым росту и делению, теперь не кажутся чем-то нереальным[470].
Добиться саморепликации РНК в составе таких протоклеток оказалось посложнее – ведь надо было обойтись без сложного фермента. При этом нуклеотидам предстояло выстроиться в ряд вдоль имеющейся молекулы РНК и соединиться, образовав новую цепочку. Орджел и другие исследователи сражались с проблемой такой “неферментной репликации” еще с 1980-х годов. Теперь же Шостаку предстояло добиться этого внутри протоклетки.
Он и его студентка Катажина (Кейт) Адамала вплотную занялись этим вопросом в 2012 году. Сложностей на их пути могло возникнуть множество: например, нуклеотиды норовят иногда присоединиться к РНК не той стороной[471]. И тем не менее уже на следующий год были получены первые результаты[472].
Ученые знали, что РНК копирует себя быстрее в присутствии ионов магния. Это выглядит правдоподобно: магний относится к распространенным элементам. Но, к сожалению, он также разрушает липидную мембрану протоклеток. Адамала и Шостак решили эту проблему, добавив цитрат – соединение, которое очень похоже на лимонную кислоту из лимонов. Цитрат присутствует во всех живых организмах, а в этом опыте он требовался для связывания магния. Благодаря цитрату магний мог ускорять копирование РНК, не нарушая при этом структуру протоклеток. В итоге сочетание магния и цитрата сделало возможным саморепликацию РНК в липидной упаковке.
Позже оказалось, что железо ускоряет самокопирование РНК даже лучше, чем магний. Это в 2018 году выяснил Шостак в ходе своей совместной – с Адамала (к тому времени уже возглавлявшей собственную лабораторию) и еще несколькими коллегами – работы[473]. Такой факт особенно воодушевляет, если учесть, что ученые предполагают в океанах молодой Земли обилие железа. Сейчас его меньше, поскольку в реакции с ним активно вступает кислород из атмосферы, – но, как мы помним, исходно кислорода на Земле не было.