Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Важно отметить, что РНК в протоклетках – это еще не гены. В отличие от нуклеиновых кислот в современных организмах, такие РНК ничего не кодируют. Однако весь смысл последовательности РНК состоит именно в неких записанных в ней полезных свойствах. Так вот: у протоклеток Шостака есть РНК, но нет генов. Это, разумеется, не лишает эксперименты Шостака ценности – ведь находящаяся на своем месте РНК позднее может измениться и начать что-то кодировать. Вот и специалист в области пребиотической химии Джон Сазерленд (см. главу 14) утверждает, что первая успешная репликация РНК без ферментов в протоклетках Шостака – это одно из самых больших достижений науки о зарождении жизни за много лет[474]. “Он добился потрясающего прогресса, – говорит Сазерленд. – Я считаю это настоящим прорывом”[475].
Однако
Верно также и то, что протоклетки не имеют ничего похожего на метаболизм. Хотя они способны расти, вбирая в себя находящиеся вокруг них липиды, они не умеют перерабатывать химические вещества или создавать новые.
Последние десять лет Шостак занимается решением данной проблемы, в основном добавляя к своим протоклеткам катализаторы и простые белки[477]. В частности, в 2013 году он и Адамала использовали с этой целью белок из всего двух аминокислот[478], [479]. Этот совсем маленький пептид служил катализатором для синтеза второго пептида, который тут же присоединялся к мембране протоклетки и ускорял ее рост. Таким образом, с этими пептидами протоклетки увеличивались быстрее, чем без них, и более сложно устроенные протоклетки приобретали преимущество. Следовательно, определенные химические вещества могли стимулировать их развитие. С другой стороны, сами эти крошечные пептиды помогали РНК присоединиться к мембране, где ей проще вступать в различные химические реакции, в том числе для самокопирования[480].
Однако все это – лишь первые шаги, и до настоящего метаболизма пока еще очень далеко. Даже простой метаболический путь Вуда – Льюнгдаля (самый первый в истории жизни, по мнению Билла Мартина) является куда более сложным. Сегодня еще трудно сказать, может ли в принципе подобный процесс происходить в протоклетках.
Хотя Шостаку и не удалось создать жизнь “с нуля” (как, впрочем, не удалось это и никому другому), глупо отрицать важность его работы на концептуальном уровне. Предполагая, что простые протоклетки могли иметь мембрану, нуклеиновые кислоты (хотя и не содержащие генов), а возможно, и метаболизм, Шостак стимулирует объединение трех гипотез, долгое время рассматривавшихся лишь по отдельности.
Однако первым такое предположение выдвинул не Шостак – что признает и он сам[481]. Историю этой идеи можно проследить до 1970-х годов, когда венгерский биолог-теоретик Тибор Ганти предложил модель “хемотона”, представляющую собой самую простую форму живого. Ход мысли двух этих ученых на удивление сходен, однако труды Ганти долгие годы оставались без внимания – они дождались признания лишь во второй половине 1990-х.
Ганти, родившегося в 1933 году, с раннего возраста интересовала природа и в том числе вопрос о том, чем живая материя отличается от неживой[482]. Решив, что ответ ему подскажет химия, он стал химиком-инженером и с 1958 по 1974 год проработал промышленным биохимиком, параллельно изучая микробиологию. (Он даже нашел время написать первый в Венгрии учебник по молекулярной биологии.)
В 1971 году за авторством Ганти вышли “Основы жизни” (The Principles of Life), где он впервые описал свою модель хемотона[483]. К сожалению, книга была издана только на венгерском языке. Впрочем, и в самой Венгрии его идеи встретили лишь “полное безразличие, непонимание, насмешки и неприязнь”, как утверждает его ученик и последователь Эрш Сатмари[484]. Однако это первое описание все равно было неполным, и через несколько лет Ганти опубликовал новую версию[485]. Вторая его книга увидела свет в 1979-м и была переведена
В основе концепции хемотона – мысль о том, что по отдельности гены, метаболизм и состоящие из мембран протоклетки имеют очень ограниченные возможности. Сутью жизни следует считать взаимодействие всех трех компонентов[488]. В то время большинство исследователей зарождения жизни были заняты выделением подсистем в составе живого, надеясь, что одна из них сама по себе окажется простой формой жизни. Ганти же, напротив, рассматривал элементарный организм как совокупность всех трех компонентов[489]. Именно так он представлял себе самую простую систему, которую можно назвать живой.
Модель Ганти описывает метаболическую систему в виде способного поддерживать себя цикла из химических реакций. Эти реакции повторяются вновь и вновь и создают компоненты других наиболее важных систем живого: генов и мембраны. Гены, в свою очередь, зашифрованы в последовательности какой-то длинной молекулы (скорее всего, РНК). Они способны копировать себя, соединяя в цепочки маленькие молекулы; при этом в качестве побочного продукта образуются компоненты мембраны. Это последнее обстоятельство может казаться несущественным, но в действительности оно чрезвычайно важно, поскольку сообщает о главенствующей в этой системе роли генов. Чем выше скорость самокопирования генов, тем быстрее идет образование мембраны, – оба процесса продолжаются до тех пор, пока протоклетка не будет готова к делению на две.
Если считать хемотон элементарной формой жизни, то Шостак уже сейчас на две трети создал ее в своей лаборатории. Он получил самокопирующиеся гены, находящиеся внутри образованной мембраной протоклетки, а также нашел способ связать этот процесс с делением протоклетки. Единственный недостающий элемент – это метаболизм, отстающий в развитии от других компонентов протоклетки (именно поэтому она, по Ганти, не может считаться по-настоящему живой).
Как же встроить метаболизм в протоклетки Шостака?[490] Ожидать, что настолько простые структуры способны создать все свои компоненты из самых доступных химических соединений, пожалуй, не стоит. Но, возможно, им под силу создать некоторые из этих компонентов – либо научиться синтезировать какие-то особо значимые молекулы вроде простых белков. Не исключено, что РНК могли приобрести способность поглощать энергию солнечного света и использовать ее для синтеза своих новых копий[491]. Теоретическое моделирование показывает, что подобный “метаболический репликатор” способен превзойти лишенную метаболизма РНК[492]. С другой стороны, есть данные о том, что наборы молекул РНК могут разрушать отдельные собственные цепочки и создавать из их фрагментов рибозимы[493]. Также не исключено, что в протоклетках возможны те метаболические реакции, о которых говорили Вэхтерсхойзер и Мартин. Рассматривается и идея о том, что первые клетки использовали в качестве источника энергии цепочку связанных фосфатов, а не более “современный” АТФ (см. главу 11).
Но, возможно, мы излишне все усложняем. По своей сути регуляция метаболизма – это способ организма контролировать происходящие в нем химические реакции, “включая” одни реакции и “выключая” другие. А для этого необходимо иметь катализаторы, которые избирательно ускоряют отдельные химические превращения. В современных организмах такими катализаторами служат ферменты. Но ведь многие ферменты имеют в своей основе нечто предельно простое: отдельные атомы или кластеры атомов металлов. Одна из таких структур представляет собой конструкцию из железа и серы. В 2017 году Клаудиа Бонфио и ее группа (куда входил и Шостак) показали, что такие железо-серные кластеры могут присоединиться к простым белкам, находящимся внутри протоклеток[494]. Сочетание железа и серы наводит на мысль о Железо-серном Мире Гюнтера Вэхтерсхойзера, о котором мы говорили в главе 10.