Двоичный код первичной жизни


Двоичный код первичной жизни
Загадка возникновения жизни на нашей планете волновала ученых испокон веков, однако до сих пор так и не получила однозначного ответа. Первые предположения относительно происхождения жизни можно найти еще в трудах ученых древнего Китая (Конфуций) и античности – Диогена, Аристотеля, Фалеса и других. Сегодня же, как известно, наиболее популярной теорией возникновения жизни на нашей планете является теория физико-химической эволюции Опарина-Холдейна, выдвинутая в 30-х годах ХХ века. Однако и она, несмотря на всю свою аргументированность, оставляет большое количество «белых пятен» в познании механизмов формирования живых систем.
Американский астроном Фред Хойл (Fred Hoyle) даже высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как и утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке "Боинга-747"».
Если тема происхождения жизни – безграничный простор для теоретика, то для историка-эволюциониста это скорее походит на кошмарный сон. Оно и понятно – ранние формы жизни, которые наверняка имели жидкую консистенцию, не оставили каких-либо остатков, которые бы сохранились до нашего времени. Самые древние известные науке ископаемые – строматолиты – свидетельствуют об уже сформированной системе метаболических процессов. Строматолиты – каменистые (карбонатные, иногда вторично окремненные) образования вроде больших заросших булыжников, которые достигали 1-2 метров в диаметре и обитали на мелководьях тропических морей, в частности на территории современной западной Австралии – известны с глубокого докембрия. Так вот, строматолиты – продукт деятельности примитивных бактерий, которые уже обладали сформированной системой метаболизма, так что не могут считаться самыми первыми формами живых организмов. Значит, им предшествовали более простые, примитивные формы жизни. Однако каковой была эта промежуточная стадия между «ничем» и примитивными бактериальными организмами, пока не совсем ясно.
И, тем не менее, если ученые и могут быть лишены возможности исследовать останки «первоорганизмов», то ничто не мешает им экспериментировать и заниматься моделированием возможных механизмов развития первых живых систем в лаборатории. Именно этим и заняты американские ученые – Джон С. Ридер и Геральд Ф. Джойс из Scripps Research Institute (TSRI), Ла Джола, Калифорния.
Им удалось синтезировать полирибонуклеотид (РНК), содержащий всего два вида азотистых оснований вместо четырех, из которых состоят современные ДНК и РНК. Полученное соединение обладало полимеразной активностью и было способно осуществлять самокопирование, используя в качестве матрицы участок собственной цепи, а для постройки цепи-копии – нуклеотиды из раствора.
Для того, чтобы лучше понять значимость данного открытия, следует кратко напомнить особенности важнейших соединений, которые обеспечивают жизнедеятельность живых организмов – белков и нуклеиновых кислот. Белки – гетерополимеры, в состав которых входит более 20 различных аминокислот. Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, которые обеспечивают сохранение, передачу и реализация генетической информации, состоят из нуклеотидов, содержащих четыре разных типа азотистых основ – аденин, гуанин, цитозин и тимин (ДНК) или урацил (РНК). Все известные сегодня ферменты принадлежат к белкам, таким образом даже копирование и поддержание целостности нуклеиновых кислот пребывает в зависимости от белковой активности. Однако вот уже несколько десятилетий некоторые ученые выдвигают предположение, что на заре эволюции существовало соединение, которое объединяло в себе свойства одновременно носителя наследственной информации и средства ее дублирования. На роль такого соединения была выдвинута РНК. Однако опыты показали, что современная РНК, содержащая аденин (А), гуанин (G), урацил (U) и цитозин, вряд ли могла существовать в условиях первобытной Земли, в первую очередь из-за нестойкости цитозина, который достаточно быстро дезаминируется и превращается в урацил.
Более 50 лет назад Нобелевский лауреат Френсис Крик выразил предположение относительно того, что в начале эволюционного пути могло существовать не 4, а всего 2 нуклеотида в составе РНК. Длительное время эта гипотеза оставалась неподтвержденной.
Несколько лет назад Джойс продемонстрировал искусственно синтезированный полинуклеотид, который содержал три азотистых основания – А, U и G, но не содержал цитозина (С). Такой «С-минус» рибонуклеотид сохранял способность катализировать реакции и послужил значительным шагом к синтезу РНК из нуклеотидов только двух типов.
В ходе текущего эксперимента Джойс и Ридер сперва получили полимер из трех типов нуклеотидов – A, G и U, после чего произвели превращение всех остатков аденина в D (диаминопурин, или, точнее, 2,6-диаминопурин, азотистое основание, которое отличается от аденина наличием второй аминогруппы в положении 2 пуринового цикла). Далее из полимера были постепенно удалены все гуанин-содержащие нуклеотиды (G). При удалении их из цепи ученые пытались сохранить ее каталитические свойства. Оказалось, что «безболезненно» можно убрать все остатки гуанина, кроме трех – после их удаления рибозим (ферментативно активная РНК) терял свои полимеразные свойства. Чтобы справиться с данной задачей, исследователи случайным образом заменяли оставшиеся остатки гуанина на U либо D, а также вносили некоторые изменения в другие участки молекулы.
И они достигли своего – полученная РНК содержала всего 2 вида нуклеотидов – U и D, и при этом сохраняла свои ферментативные свойства – производила «сборку» на участке собственной молекулы U- и D-нуклеотидов, присутствующих в растворе, то есть, фактически, самореплицировалась (самоудваивалась). Конечно, активность данного рибозима значительно отставала от таковой исходной молекулы, однако фермент действовал – наиболее «удачный» его вариант производил полимеризацию со скоростью, в 36000 высшей, чем без него. Такой эффект «лучше, чем ничего» и мог бы быть вполне подходящим на ранних стадиях развития живого мира.
Ридер и Джойс подчеркивают, что проведенный ими эксперимент не следует трактовать однозначно, как план эволюции организмов, а только как демонстрацию возможности того, что дарвиновская эволюция могла происходить в среде соединений, состоящих всего из двух типов субъединиц. Фактически, как отмечает Джойс, «Два вида отличных субъединиц представляют абсолютный минимум для прохождения эволюции» аналогично тому, как двоичная система является наиболее редуцированной системой обработки информации.
Проект американских ученых получил грант НАСА, а также пользуется поддержкой ряда научно-исследовательских организаций, в частности, Скаггским институтом химической биологии (Skaggs Institute for Chemical Biology) и NSCORT (NASA Specialized Center for Research and Training in Exobiology – Специализированный исследовательский и испытательный центр НАСА по вопросам экзобиологии).
Ю. Дзюбан
Журнал «Универсум» http://www.universum.hotbox.ru/
