Молекулярне походження життя: що утворилося першим – білок, ДНК або РНК або їх комбінація?

«На кілька запитань про походження життя знайдено відповіді, але ще багато чого належить вивчити», — сказали Стенлі Міллер і Гарольд Юрі ще в 1959 році після того, як повідомили про лабораторний синтез амінокислот в первісних земних умовах. Багато досягнень, але вчені вже давно борються з фундаментальним питанням – який генетичний матеріал був першим утворений на первісній землі, ДНК or РНК, або трохи того й іншого? Зараз є докази, які свідчать про це ДНК та РНК обидва могли співіснувати в первісному бульйоні, звідки форми життя могли еволюціонувати з відповідними генетичними матеріалами.

Це стверджує центральна догма молекулярної біології ДНК робить РНК робить білки. Білки відповідають за більшість, якщо не за всі реакції, що відбуваються в організмі. Вся функціональність організму значною мірою залежить від їх наявності та взаємодії білок молекули. Відповідно до центральної догми, білки виробляються інформацією, що міститься в ДНК який перетворюється на функціональний білок через месенджер під назвою РНК. Однак не виключено, що білки самі можуть вижити незалежно без жодного ДНК or РНК, як у випадку з пріонами (неправильно складені білок молекули, які не містять ДНК or РНК), але можуть вижити самостійно.

Таким чином, може бути три сценарії виникнення життя.

А) Якщо білки або його будівельні блоки змогли сформуватися абіотично під час атмосфери, яка існувала мільярди років тому в первісному бульйоні, білки можна назвати основою походження життя. Експериментальні докази на його користь походять із відомого експерименту Стенлі Міллера^{1, 2}, який показав, що коли суміш метану, аміаку, води та водню змішуються разом і циркулюють повз електричний розряд, утворюється суміш амінокислот. Це ще раз підтвердилося сім років потому³ у 1959 році Стенлі Міллер і Гарольд Юрі заявили, що наявність відновної атмосфери в первісній землі призвела до синтезу органічний сполук у присутності вищезазначених газів плюс менші кількості оксиду вуглецю та вуглекислого газу. Релевантність експериментів Міллера-Юрі протягом кількох років ставилася під сумнів науковою спільнотою, яка вважала, що газова суміш, використана в їхніх дослідженнях, була надто відновною щодо умов, які існували на первісній Землі. Ряд теорій вказує на нейтральну атмосферу, яка містить надлишок CO2 з N2 і водяною парою.⁴. Однак нейтральна атмосфера також була визначена як вірогідне середовище для синтезу амінокислот⁵. Крім того, для білки щоб діяти як джерела життя, вони потребують самовідтворення, що призводить до поєднання різних білки обслуговувати різні реакції, що відбуваються в організмі.

Б) Якщо первісний суп забезпечував умови для будівельних блоків ДНК та / або РНК сформуватися, то будь-яке з них могло бути генетичним матеріалом. Дослідження до теперішнього часу сприяли РНК бути генетичним матеріалом для походження форм життя завдяки своїй здатності згортатися в себе, існувати як єдиний ланцюг і діяти як фермент⁶, здатний робити більше РНК молекули. Ряд ферментів РНК, що самовідтворюються⁷ були виявлені протягом багатьох років, припускаючи РНК бути вихідним генетичним матеріалом. Це було додатково підкріплено дослідженнями, проведеними групою Джона Сазерленда, які призвели до утворення двох основ РНК у середовищі, подібному до первинного бульйону, шляхом включення фосфату в суміш⁸. Утворення будівельних блоків РНК також було показано шляхом моделювання відновлювальної атмосфери (містить аміак, монооксид вуглецю і воду), подібну до тієї, що використовувалася в експерименті Міллера-Юрі, а потім пропускання через них електричних розрядів і потужних лазерів.⁹. Якщо вважати, що ініціатором є РНК, то коли і як це сталося ДНК і виникають білки? Зробив ДНК розвиватися як генетичний матеріал пізніше через нестабільну природу РНК і білків. Відповіді на всі ці питання досі залишаються без відповіді.

C) Третій сценарій того, що ДНК і РНК можуть співіснувати в первинному супі, який призвів до виникнення життя, випливає з досліджень, опублікованих 3^rd Червень 2020 року групою Джона Сазерленда з лабораторії MRC у Кембриджі, Великобританія. Дослідники змоделювали умови, які існували на первісній Землі мільярди років тому, з неглибокими ставками в лабораторії. Вони спочатку розчинили хімічні речовини, що утворюються РНК у воді з наступним висушуванням і нагріванням, а потім підданням ультрафіолетовому випромінюванню, яке моделювало сонячні промені, що існували в первісні часи. Це не лише призвело до синтезу двох будівельних блоків РНК але також ДНК, що свідчить про те, що обидві нуклеїнові кислоти співіснували під час зародження життя¹⁰.

Виходячи з сучасних знань, які існують сьогодні та шанують центральну догму молекулярної біології, видається правдоподібним, що ДНК і РНК співіснували, що призвело до виникнення життя, а утворення білка відбулося/відбулося пізніше.

Однак автор хоче припустити інший сценарій, де всі три важливі біологічні макромолекули, а саме. ДНК, РНК і білок існували разом у первісному супі. Безладні умови, які існували в первісному супі, включаючи хімічну природу земної поверхні, виверження вулканів і присутність таких газів, як аміак, метан, оксид вуглецю, вуглекислий газ разом з водою, могли бути ідеальними для утворення всіх макромолекул. Натяк на це надано дослідженнями, проведеними Ферусом та ін., де нуклеооснови утворювалися в тій же відновлювальній атмосфері.⁹ використаний в експерименті Міллера-Юрі. Якщо вірити в цю гіпотезу, то в ході еволюції різні організми засвоювали той чи інший генетичний матеріал, що сприяло їхньому існуванню.

Однак, оскільки ми намагаємося зрозуміти походження форм життя, потрібно багато подальших досліджень, щоб відповісти на фундаментальні та актуальні питання про те, як виникло і поширилося життя. Це вимагало б «нестандартного» підходу, не покладаючись на будь-які упередження, внесені в наше мислення поточними догмами, яких дотримується наука.

***

Список використаної літератури:

1. Міллер С., 1953. Виробництво амінокислот у можливих примітивних умовах Землі. наук. 15 травня 1953 р.: вип. 117, Випуск 3046, с. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotic Soup – Revisiting the Miller Experiment. Наука 02 травня 2003: Вип. 300, Випуск 5620, с. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Міллер С.Л. і Урі Х.С., 1959. Синтез органічних сполук на первісній Землі. Наука 31 липня 1959: Вип. 130, випуск 3370, с. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Кастинг Дж.Ф., Говард М.Т. 2006. Склад атмосфери та клімат на ранній Землі. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Опубліковано: 07 вересня 2006 р. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Повторна оцінка пребіотичного органічного синтезу в нейтральних планетарних атмосферах. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Зауг А. Й., Чех Т. Р. 1986. Проміжна послідовність РНК Тетрагімена є ферментом. Наука 31 січня 1986 р.: Вип. 231, випуск 4737, стор. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Рибозим-каталізована транскрипція активного рибозиму. наук 08 квіт.: Вип. 332, Випуск 6026, С. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Синтез активованих піримідинових рибонуклеотидів у пребіотично вірогідних умовах. Природа 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Формування нуклеооснов в відновлювальній атмосфері Міллера-Юрі. ПНАС 25 квітня 2017 р. 114 (17) 4306-4311; вперше опубліковано 10 квітня 2017 р. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Сю Дж., Чмела В., Грін Н. та ін. 2020 Селективне пребіотичне утворення РНК піримідину та ДНК пуринові нуклеозиди. Nature 582, 60–66 (2020). Опубліковано: 03 червня 2020 р. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***