Происхождение жизни: неферментативная репликация

Фумарольные поля вулкана Килауэа (Гавайи). Возможно, в подобном ландшафте на молодой Земле зарождалась жизнь. Brocken Inaglory / «Википедия»
Фумарольные поля вулкана Килауэа (Гавайи). Возможно, в подобном ландшафте на молодой Земле зарождалась жизнь. Brocken Inaglory / «Википедия»
Александр Марков
Александр Марков
Борис Штерн
Борис Штерн

Беседа главного редактора «Троицкого варианта» Бориса Штерна с докт. биол. наук Александром Марковым о происхождении, эволюции и распространении жизни. Видеоверсия — youtu.be/MlSx6chmUME

— Здравствуйте, сегодня у нас в гостях опять Александр Марков, я думаю, даже не второй раз. Сегодня мы продолжаем большую серию интервью, которую можно объединить одним вопросом: каково место жизни во Вселенной? То есть как она возникает, с какой вероятностью возникает, насколько мы одиноки, ну и прочие вопросы, которые с этим связаны. Понятно, что мы не дадим конкретных ответов — они неизвестны. Тем не менее, попробуем, насколько можно приблизиться к ответам.

В связи с этим мы сегодня рассмотрим самое-самое начало жизни, когда жизни в привычном понимании слова еще нет, есть только молекулы, какие-то коротенькие полимеры, которые вдруг как-то научились размножаться, и пошла дарвиновская эволюция.

Наверное, самый простой вариант этого старта, о котором Александр уже говорил в предыдущем интервью, — это неферментативная репликация1, вот давайте с этого сегодня и начнем. Что появилось нового, есть ли какие-то продвижения на этом пути, и какие надежды продвинуться?

Лесли Орджел (Leslie Eleazer Orgel, 1927–2007)
Лесли Орджел (Leslie Eleazer Orgel, 1927–2007)

— Сейчас попробую рассказать, какая там ситуация. Неферментативную репликацию начал изучать в 1980-е годы Лесли Орджел, очень известный биохимик. Он добился определенных успехов. Одно из его лучших достижений: удалось реплицировать матрицу длиной 14 нуклеотидов, но только нуклеотиды Г (гуанин) и Ц (цитозин)— они легче реплицируются, чем соответственно А (аденин) и У (урацил, он занимает место тимина в РНК). Орджел работал и работал, но к концу жизни, когда состарился, вроде как разочаровался в этой идее из-за неразрешенных трудностей. В общем, так бывает довольно часто в науке, что человек работает-работает над какой-то темой, какие-то проблемы решает, какие-то не может, не успевает решить и в конце концов впадает в пессимизм. Но потом приходит новое поколение исследователей и с молодым задором снова принимается за дело. Они двигаются дальше и находят решение прошлых проблем, утыкаются опять в следующие и т. д. И вот после Орджела активно занялся неферментативной репликацией Джек Шостак, нобелевский лауреат, тоже очень известный ученый. Нобелевку, правда, он получил за другие исследования. Получив Нобеля, он занялся всерьез происхождением жизни, причем еще себе задачу усложнил как бы намеренно, потому что считает: жизнь должна была зарождаться сразу внутри протоклеток, как их называют, таких мембранных пузырьков, сделанных из липидов, из фосфолипидов, из каких-то более примитивных соединений, которые тоже могут образовывать такие мембраны двухслойные. Внутри таких пузырьков должны были завестись молекулы РНК, которые бы неферментативно реплицировались. Всё это усложняет задачу, но зато и достигнутые успехи делает как бы более консервативными, убедительными. И вот сейчас Шостак и его группа продолжают активно работать над этим.

И у них прогресс есть: практически там каждый год чего-то у них выходит новое, есть какие-то продвижения, какие-то задачи решаются. Ну вот сначала они сделали протоклетки, внутри которых идет неферментативная репликация ДНК, — это по техническим причинам несколько проще, чем неферментативная репликация РНК. Потом в 2013 году они сделали уже протоклетку, где идет неферментативная репликация РНК.

Деление ранних протоклеток. Фантазия художника (Henning Dalhoff/Science Photo Library)
Деление ранних протоклеток. Фантазия художника (Henning Dalhoff/Science Photo Library)

Опять же показательная история: неферментативная репликация РНК катализируется ионами магния, там должны быть обязательно ионы Mg2+, они катализируют эту репликацию, но при этом разрушают мембраны протоклеток, с которыми работает Шостак, кроме того, способствуют распаду однонитевых молекул РНК, т. е. они помогают и вредят.

Но вот в 2013 году Шостаку его коллегам удалось одолеть это препятствие, просто-напросто добавив в пробирку лимонную кислоту — цитрат. Оказалось, что ионы магния образуют комплекс с этим цитратом, и это не дает им повреждать мембраны, не дает повреждать РНК, однако по-прежнему позволяет катализировать репликацию.

Таким образом, проблема решилась, и это также систематическая ситуация в этой пребиотической химии, т. е. какая-то проблема может казаться тупиком, может казаться нерешаемой, а потом вдруг находится в какой-то момент очень простое решение. Вот, скажем, добавить цитрат или — в другом случае — добавить фосфат (это когда решали проблему синтеза нуклеотидов). Просто очень трудно реально в экспериментах перебрать все варианты, все добавки, а как-то теоретически рассчитать не очень получается. Эти химические реакции нужно пробовать, пока все перепробуешь. Это занимает время, но хорошо, что систематически находятся выходы из тупиков какими-то простыми средствами.

Джек Шостак (Jack William Szostak, р. 1952). «Википедия»
Джек Шостак (Jack William Szostak, р. 1952). «Википедия»

Что еще про неферментативную репликацию РНК нужно сказать? Десять лет назад Шостак опубликовал программную статью под названием «Восемь проблем неферментативной репликации РНК»2, там он действительно перечислил восемь проблем, из-за которых этот процесс не идет пока достаточно быстро, достаточно точно и с любыми матрицами. Эти восемь проблем, что он перечислил, — чисто химические, чисто технические, — но на тот момент было непонятно, как с ними справляться, как двигаться дальше. Однако за десять лет, которые с тех пор прошли, Шостак и его группа добились хороших результатов. Не то, чтобы все эти восемь проблем окончательно решены, отброшены и забыты, но есть успехи в их преодолении. То есть находятся решения. Дальше мы можем погрузиться в химические подробности, если хотите, или сразу перескочить к тому, что сейчас у нас имеет место.

— Давайте немножко подробностей.

— Немножко подробностей? Хорошо, с удовольствием. Я как раз готовлю лекцию на эту тему, которая у меня будет в воскресенье здесь, в Хайфе, и я вот подглядываю в свою презентацию.

Значит, первая проблема состояла в том, что в ходе неферментативной репликации не всегда нуклеотиды соединяются правильным образом. Там у рибозы есть два места, к которым может присоединиться следующий нуклеотид своим фосфатом, — это такие гидроксильные группы у второго и третьего атома углерода рибозы. Правильная связь — это с третьим атомом, а иногда образуются неправильные — со вторым атомом.

И вот было непонятно, как с этим бороться, но потом через несколько лет оказалось (Шостак же и показал), что эта проблема на самом деле не проблема, потому что она не препятствует эволюции рибозимов, не препятствует развитию каких-то наследуемых функций. То есть они соединяются не очень правильно — ну и черт с ними — РНК и рибозимы всё равно работают и всё равно могут хранить наследственную информацию, могут выполнять ферментативные функции.

Более того, оказалось, что вот эти неправильные как бы ошибки при присоединении нуклеотидов, когда они не совсем тем местом присоединяются, каким надо, — они, может быть, даже помогали на ранних этапах развития РНК-мира. Помогали в том смысле, что получаются копии молекул с разной долей этих неправильных связей, и при этом те молекулы, у которых больше неправильных связей, хуже сворачиваются в трехмерные структуры, поэтому из них хуже получаются рибозимы, но при этом они, поскольку не сплетаются, не сворачиваются, лучше работают как матрицы, как хранитель наследственной информации.

А если меньше доля неправильных связей, то, соответственно, получаются хорошие рибозимы, но хуже матрицы. И получается, что за счет вот этих ошибок присоединения получается такое разделение функций между разными копиями одной и той же молекулы РНК: одни могут лучше справляться с ферментативными функциями, а другие — с функциями хранения наследственной информации. То есть, может быть, это вообще не проблема, а наоборот, полезное свойство. Это что касается первой проблемы…

Черные курильщики. Очень горячие, много металлов: FeS, CuS, NiS («железный мир» Вехтерсхойзера)
Черные курильщики. Очень горячие, много металлов: FeS, CuS, NiS («железный мир» Вехтерсхойзера)

Дальше есть проблема, что в результате неферментативной репликации получается двойная спираль, получается дуплекс, и чтобы процесс размножения молекул пошел дальше, нужно это дуплекс разделить. Для этого обычно в экспериментальных условиях просто повышают температуру. Это температура плавления РНК-дуплексов, она довольно высокая, но на данный момент думают, что жизнь, скорее всего, зарождалась в каких-то геотермальных условиях, в каких-то грязевых котлах или гейзерах на ранней Земле, где, соответственно всё время были скачки температуры. То есть это легко себе представить, что в колыбели жизни то становилось очень горячо — когда там очередной выброс каких-то вулканических растворов, — то остывало. И, соответственно, в горячей фазе могли расплетаться вот эти двойные спирали, потом температура понижалась, проходила неферментативная репликация, потом снова в горячей фазе расплетались. Я не все детали, конечно, рассказываю.

Белые курильщики. Очень горячие, много металлов: ZnS, MnS («цинковый мир» Мулкиджаняна). snl.no/hydrotermiske_undervannskilde
Белые курильщики. Очень горячие, много металлов: ZnS, MnS («цинковый мир» Мулкиджаняна). snl.no/hydrotermiske_undervannskilde

Есть проблема с низкой точностью копирования, т. е. при неферментативной репликации возникает многовато мутаций — примерно в десять раз больше, чем необходимо, чтобы преодолеть порог Эйгена, чтобы система с наследственностью могла хранить наследственную информацию, чтобы эта наследственная информация не деградировала сразу же под грузом мутаций. То есть точность где-то 8–10 раз ниже необходимой. Можно искать химические пути решения этой проблемы. Можно понизить число ошибок, если вместо обычных нуклеотидов брать модифицированные нуклеотиды, содержащие серу.

Но самое интересное здесь, что сама эта неферментативная репликация так устроена, что помогает на самом деле повысить собственную точность за счет того, что есть такая вещь, как задержка после ошибки (post-mismatch stalling). То есть когда в процессе неферментативной репликации присоединяется неправильный, некомплементарный нуклеотид, процесс замедляется, и дольше длится пауза перед присоединением следующего нуклеотида. Поэтому те акты, репликации, которые случайно проходят без ошибок, быстрее заканчиваются. И если после репликации вот эти две нити быстро расплетаются, то они снова подвергаются неферментативной репликации. Опять же те, которые с ошибками, тормозят и медленно реплицируются, а те, которые без ошибок (просто повезло), быстрее реплицируются и, соответственно, быстрее вступают в новый цикл.

— То есть уже получается отбор на правильную репликацию.

— Да, получается как бы встроенный в саму эту систему отбор на правильную репликацию, который на выходе приводит к тому, что по факту как бы точность получается выше. Больше молекул получается отреплицированных без ошибок. Учитывая это, открываются возможности, может быть, уже преодолеть этот барьер Эйгена, даже имея ту базовую частоту ошибок, которая сейчас наблюдается. Или, по крайней мере, там уже будет не в 8–10 раз разрыв, а, скажем, в два раза — в два раза нужно еще улучшить до порога Эйгена. Как-то так.

Протоклетку, где идет репликация РНК, трудно получить, так как катализирующие ее ионы магния разрушают мембраны и способствуют распаду однонитевых РНК. Джек Шостак и его ученики в 2013 году одолели это препятствие, добавив в среду хелатирующий агент — цитрат. Ионы магния в комплексе с цитратом по-прежнему катализируют репликацию РНК, но уже не повреждают мембраны и однонитевые РНК Adamala K. and Szostak J. W. Nonenzymatic Template-Directed RNA Synthesis Inside Model Protocells // Science. 2013. V. 342. P. 1098–1100.
Протоклетку, где идет репликация РНК, трудно получить, так как катализирующие ее ионы магния разрушают мембраны и способствуют распаду однонитевых РНК. Джек Шостак и его ученики в 2013 году одолели это препятствие, добавив в среду хелатирующий агент — цитрат. Ионы магния в комплексе с цитратом по-прежнему катализируют репликацию РНК, но уже не повреждают мембраны и однонитевые РНК Adamala K. and Szostak J. W. Nonenzymatic Template-Directed RNA Synthesis Inside Model Protocells // Science. 2013. V. 342. P. 1098–1100.

— Вы рассказываете про работу группы Шостака, про их результаты. Есть ли какие-то еще команды, которые делают примерно то же самое и чего-то еще добились?

— Ну, вообще мало кто занимается всерьез этой темой, потому что это не самое практически значимое занятие, и грант получить трудно. Поэтому есть группа Шостака, есть еще люди, которые этим занимаются, и они все, в общем, сотрудничают друг с другом. Короче, я там персонально не очень много знаю других групп. Но вот то, что я рассказываю, — это не только результаты Шостака и его коллег, но и других исследователей тоже. Есть группа Джойса, например, которая изучает возможность размножения коротких молекул РНК путем лигирования.

Кстати, есть два пути. Неферментативная репликация как способ размножения РНК в мире до появления рибозимов — это как бы первый путь. А есть еще путь через лигирование, т. е. сшивание конец к концу коротких молекул РНК в более длинную.

Вот и группа Джойса получила еще лет десять назад такие интересные системы экспериментальные, когда берется молекула РНК, как бы такой рибозим, который делает копии другого рибозима, сшивая его из двух половинок. А этот другой рибозим, в свою очередь, делает копии того рибозима, который его создал, тоже сшивая из двух половинок. Если эту систему кормить постоянно вот этими половинками рибозимов (то есть нужны четыре олигонуклеотида), если эту систему кормить этими четырьмя обрывками, то там бесконечно будут образовываться эти вот два рибозима, которые друг друга как бы размножают. Но это вариант, когда в качестве исходного субстрата используются довольно длинные олигонуклеотиды. А сейчас и Шостак, и другие группы работают над вариантами, когда молекулы РНК размножаются не присоединением отдельных нуклеотидов (нуклеотид, следующий нуклеотид, следующий нуклеотид и т. д.), а, скажем, по 3, по 5, по 10 нуклеотидов — кусочки комплиментарные приставляются к матрице и происходит сшивка, лигирование. Есть эксперименты, где используют смесь одиночных нуклеотидов и триплетов, скажем. И они по очереди вперемешку так пристраиваются, и получается быстрее, точнее.

— Сейчас, секунду, вопрос: но они могут присоединиться только на нужное место, или там тоже какие-то ошибки есть, или каждая цепочка обязана сесть на свое место?

— Ну, в общем, когда это олигонуклеотиды, они, конечно, садятся только туда, где комплементарный кусочек находится на матрице. То есть там всё основано на этом принципе комплементарности. Я, честно говоря, не знаю, насколько высока там частота ошибок. Если олигонуклеотид из шести нуклеотидов имеет один некомплементарный и пять комплементарных, то прилипнет он или не прилипнет? Насколько там проблема точности важна? Такие работы мне не попадались. Но вот с проблемой медлительности эта схема помогает справиться очень неплохо. Значит, это вот, собственно, и есть второе направление…

Есть идеи (это уже немножко из другой серии), что, в принципе, в РНК-мире, возможно, молекулы РНК размножались пришиванием не по одному нуклеотиду к праймеру, а, например, по три, и потом от этой системы произошел синтез белков. Но это уже отчасти следующий этап.

И еще очень перспективное направление, которое сейчас развивается и Шостаком, и другими: подмешивают туда, в эту пробирку, какие-то простые пептиды. И иногда получаются очень интересные вещи. Вот, например, не так давно опять же группа Шостака опубликовала статью, что если добавить в пептиды коротенькие аминокислоты аргинина (то есть вот одна аминокислота, просто несколько их соединено в короткий пептид — олигоаргеновый пептид), то эта добавка здорово помогает неферментативной репликации РНК. Помогает, потому что эти пептиды как-то облепляют удачным образом молекулы РНК и не дают синтезировавшимся комплементарным нитям обратно снова слипнуться. Они не препятствуют репликации, но препятствуют обратному слипанию комплементарных нитей.

Что характерно, в этой статье было показано, что аргининовые пептиды снижают скорость обратного слипания (а это одна из тех самых восьми проблем неферментативной репликации) в несколько тысяч раз.

— Извините, сразу поясните, что такое обратное слипание и как это происходит.

— Ну, смотрите: вот, допустим, произошла неферментативная репликация, и у нас вместо одной нити РНК теперь есть две комплементарные нити. Они сплетены в двойную спираль, но вот мы нагрели эту систему, нити расплелись, теперь у нас есть две отдельные комплементарные нити. Мы хотим теперь всё это остудить, чтобы дальше пошла неферментативная репликация, но когда мы их остужаем, они слипаются обратно в двойную спираль и ничего не идет. Это обратное слипание — серьезная проблема, и оказалось, что если добавить такие примитивные пептиды из одного аргинина, то скорость слипания снижается в несколько тысяч раз. Сейчас эта наука находится на такой стадии, когда случайная находка может снять сразу 3–4 порядка в какой-то проблеме. То есть это еще ранние стадии поиска, понимаете?

— Теперь такой вопрос. Эти все методики подразумевают какие-то лабораторные условия. Насколько эти условия реалистичны? Могут ли они быть воспроизведены в природе на каком-то этапе геологической эволюции, скажем, вот эти пузырьки мембранные, температурные, химические условия? Или об этом пока еще не заботятся, просто пока, дай бог, в любых условиях получить результат?

— На это обращают внимание, но там всё очень по-разному. Проводятся эксперименты и в «пребиотически правдоподобных» условиях, и в таких условиях, которые вроде бы считаются неправдоподобными. Но если в неправдоподобных условиях что-то очень хорошо получается, то всё равно продолжают это изучать, потому что надеются: ну вот, мы разовьем эту тему, а потом, может быть, найдем какую-то версию такого механизма, которая работает в более правдоподобных условиях. Или вдруг окажется, что эти условия, которые мы считали неправдоподобными, на самом деле вполне правдоподобны. Что-то в таком духе. То есть некоторые процессы этой пребиотической химии, возможно, идут при вполне правдоподобных условиях.

Например, считается, что мембранные пузырьки могут в правдоподобных условиях образовываться, скажем, на древней Земле во всяких гейзерах. Синтез этих самых активированных нуклеотидов идет в довольно-таки правдоподобных условиях. А вот, к примеру, в последних опытах по неферментативной репликации, которыми группа Шостака занимается, используются такие причудливым образом активированные нуклеотиды, что это выглядит довольно экзотичным. Но поскольку у них хорошо пошло, поскольку есть прогресс с использованием этих странных нуклеотидов, они этим занимаются и по-честному пишут в статьях, что да, вот извините, данный эксперимент у нас не в очень правдоподобных условиях, но зато как здорово получается! То есть по-всякому бывает, конечно, люди следят за этим, но пока еще мы очень мало знаем.

— Есть ли какой-то четкий, количественный показатель, кроме порога Эйгена, и достаточно ли его, кстати, для того, чтобы можно было сказать: дескать, мы достигли начала дарвиновской эволюции, и дальше уже всё должно пойти как по маслу? Есть ли какой-то количественный показатель того, как далеко люди находятся от старта эволюции? Вот вы упомянули, что до порога Эйгена не хватает фактора десятки. Но кроме этого порога есть еще какой-то фактор количественный, который тоже характеризует отдаленность от начала нормальной эволюции?

— Там много всяких параметров приходится отслеживать, помимо точности: скорость процесса, устойчивость…

— Вот этот порог по точности, наверное, на коротких молекулах легко достигается, но толку от этого, вероятно, не очень много? Ведь нужно еще, чтобы это были достаточно длинные молекулы с какой-то информацией, которая заслуживает передачи.

— Ну вот, пытаются прийти к тому, чтобы, например, с помощью неферментативной репликации появилась возможность размножать какие-то функциональные рибозимы. Но это уже сделано — в общем, этого добились. Недавно вышла статья, без участия Шостака, кстати, где сообщается, что неферментативно удалось синтезировать маленький рибозим с РНК-полимеразными свойствами, т. е. примитивную РНК-полимеразу-рибозим удалось неферментативно собрать из коротких четырехнуклеотидных кусочков. То есть из кусочков получается длинный рибозим. Там идея в том, что к молекуле РНК приделывается комплементарно четырехнуклеотидный кусочек, который двумя нуклеотидами к концу этой цепочки пристроился комплементарно, a два торчат. Потом к этим двум другой четырехнуклеотидный снизу так раз — и тоже пристраивается — опять два торчат; к нему следующий четырех-нуклеотидный и т. д. То есть они сшиваются в более длинную цепочку.

Ну а пока такого, чтобы уже запустилась в пробирке дарвиновская эволюция молекул РНК в сколько-нибудь реалистичных условиях без белковых ферментов, — этого пока еще нет. Если это произойдет, это будет, конечно, очень сенсационный результат — великая победа. Сколько до этого осталось — очень трудно предсказать в принципе. Может быть, уже вот завтра выйдет статья, где будет: ах, вот, пожалуйста, получилось! А может быть, еще, там, не знаю, восемьдесят лет придется ждать.

— И правильно я понимаю, что эта область финансируется скудно?

— Да, эта область финансируется скудно. Потому что у нее нет совершенно никакой практической пользы, хотя был один замечательный случай, когда исследования в этой области принесли практическую пользу такую большую, реальную.

Это история, к который причастен брат моей жены, Дмитрий Кирпотин, биохимик, он в Америке работает и как раз этим занимается. Они исследуют протоклетки — мембранные пузырьки не из современных суперпродвинутых фосфолипидов, а из более примитивных амфифильных молекул. Такие мембранные пузырьки, которые могут сливаться друг с другом, расти, разделяться… Они как бы даже размножаются, эти протоклетки.

И возникла идея из этих протоклеток сделать средства доставки, т. е. упаковывать внутри этих протоклеток какие-то лекарства, добавить рецепторы на них, чтобы эти протоклетки сливались с нужными клетками в организме и прямо внутрь клетки доставляли это лекарство. И это сработало — оказалось очень прогрессивным, новым подходом в фармакологии. Сейчас реально разрабатываются замечательные новые лекарства на основе этих вот протоклеток, взятых из исследований по происхождению жизни.

Вот так: практический выход по крайней мере один раз был, но, в принципе, это нетипично. Исследования происхождения жизни имеют огромное мировоззренческое значение, но денег на этом не заработаешь, поэтому мало кто этим занимается.

— Этот факт всплывал уже в интервью с Евгением Куниным. Я как аргумент приводил фундаментальную физику, космологию и т. д. — там абсолютно никаких практических выходов нету, но она, в общем, финансируется прилично — ну, возьмем ЦЕРН, это многие миллиарды — Большой адронный коллайдер. То есть фундаментальная физика финансируется прилично, а фундаментальная биология сидит на скудном пайке. Интересный парадокс. Я его, честно говоря, не очень понимаю: действительно фундаментальнейшая проблема — происхождение жизни. И вы, наверное, тоже не понимаете.

— Ну, может быть, это связано с тем, что ваша фундаментальная физика — то, в чем нет сомнений, что люди действительно копают в нужном направлении, что они действительно пытаются открыть глубочайшие тайны устройства мироздания, что это не ложный путь. А вот что касается неферментативной репликации, то все-таки, видимо, сохраняется на заднем плане такое опасение, что, может быть, это вообще какой-то тупиковый путь, что жизнь возникла как-то вообще не так? А ребята, дескать, изучают что-то вообще никому не нужное, чего никогда не было.

— Хорошо, давайте про альтернативы немножко. Ну вот первая альтернатива уже есть: взяла и случайно собралась хорошая машина. Евгений Кунин оценивал вероятность этого, но мы ее все знаем: уже много раз звучала эта цифра десять в минус тысячной. Эта альтернатива не очень красивая, так скажем. Вторая альтернатива, как я понял из того, что вы сейчас говорите, — это размножение более коротких полимеров, а потом их сшивка. Но это тоже маловероятная вещь, как мне кажется. Или нет?

— Ну, понимаете, короткие молекулы РНК при правдоподобных условиях уже понятно, как получаются из простых соединений. Уже есть работы, показывающие, что все четыре нуклеотида можно синтезировать в одном ведре вместе, в одних и тех же условиях. Для этого нужны циклы обводнения-высыхания, но это как раз есть в геотермальных системах — лужи, которые высыхают, потом снова наполняются. Там и можно получить все четыре нуклеотида. Дальше эти нуклеотиды полимеризуются в короткие молекулы РНК на кристаллах глинистых минералов, таких как монтмориллонит. Такая простая вещь, как смекта, которую мы принимаем от расстройства желудка, как раз из породы этих глинистых минералов — они очень хорошо всё адсорбируют, органика к ним очень хорошо прилипает. И в том числе к ним хорошо прилипают нуклеотиды и собираются в короткие молекулы РНК.

Геотермальное поле Эль Татио, Чили. Фото Gerard Prins
Геотермальное поле Эль Татио, Чили. Фото Gerard Prins

А дальше уже мы рассматриваем приключения этих коротких молекул. Среди них действительно обнаруживаются лигазы, т. е. простенькие рибозимчики, которые умеют сшивать короткие РНК в длинные. Как-то с этим пытаются играть и прийти к системе репликации, в которой запустилась бы дарвиновская эволюция. Так что это на самом деле не такая уж невероятная фантазия, а что-то правдоподобное. Возможно, такой путь окажется не тупиковым, я очень на это надеюсь.

— Да, это прямо пас Армену Мулкиджаняну, потому что в своем интервью он как раз говорил про эти самые условия намокания-высыхания, про эти источники. К этому мы еще вернемся. Есть ли какой-нибудь мейнстримный путь в исследованиях происхождения жизни, который бы хорошо финансировался, существует ли он вообще?

— Да нет. Вот то, о чем мы говорили, и есть мейнстрим.

— Собственно, мы говорили пока о двух альтернативах, правильно? Ну, третья — это случайная очень маловероятная сборка. Вот три альтернативы.

— Ну да, ну да, случайная сборка сразу готовой, отлаженной системы — это, конечно, последнее прибежище — не намного лучше, чем сказать, что бог всё сотворил.

— Да, конечно, это разновидность антропного принципа. Он, в принципе, работает, но это тоже последнее прибежище, и все, с кем мы здесь обсуждали эти проблемы, с этим согласны, физики тоже.

— Ну да, есть еще группы, которые работают с рибозимами, РНК-полимеразами. Но непонятно, откуда эти рибозимы взялись. Это просто попытки доказать, что хорошие рибозимы РНК-полимеразы, в принципе, возможны, и это тоже непростая научная задача, которую решают еще другие группы. В конечном счете, конечно, хотелось бы побольше активности в этом направлении.

Может быть, если бы происхождение жизни финансировалось так же, как фундаментальная физика, как эти коллайдеры страшные, тогда даже не может быть, а 100% мы бы получили хороший прогресс быстрее.

— Александр, я задавал вопросы, они у меня кончились просто потому, что это как бы не моя область, я там плохо ориентируюсь, там наверняка есть еще много чего сказать. Вот в заключение у вас есть, чем еще дополнить нашу беседу — из того, что я не спросил?

— Ну, смотрите, это самый фундаментальный вопрос: в какой момент стартовала дарвиновская эволюция? Если неферментативная репликация достаточно точная и быстрая тем или иным способом в каких-то реалистичных условиях возможна, тогда, должно быть, во Вселенной много живых планет. Тогда весь процесс становится достаточно вероятным. Если же вдруг удастся показать, что неферментативная репликация, в принципе, это тупиковый путь, который никогда, ни при каких обстоятельствах не может достичь нужной точности и скорости, тогда придется уповать на случайную самосборку репликатора, и тогда работает аргумент Кунина, и получается одна живая планета на бесчисленное множество Вселенных.

Но, как мы с вами в моем прошлом интервью говорили, из каких-то общих философских соображений есть что-то совсем нелогичное, неправдоподобное в допущении, что неферментативная репликация невозможна, а была случайная самосборка каких-то рибозимов. Это значит, что замечательное свойство комплементарности, которое позволяет молекуле РНК или ДНК, или похожим на них молекулам быть репликаторами, служить матрицей для собственного размножения, служить хранилищем наследственной информации, — это свойство комплементарности возникает как рояль в кустах. То есть сначала синтезировалось на бесчисленном множестве планет бесчисленное количество этих вот молекул, потом среди них случайно нашлась одна с нужной последовательностью — и стартовала жизнь, и тут, как рояль в кустах, вдруг оказывается, что так удачно у них оказалось свойство комплементарности, у этих молекул!

Таким образом, это свойство комплементарности почему-то не использовалось раньше, молекулы синтезировались на всех этих планетах без использования свойства комплементарности, каким-то другим путем. А если неферментативная репликация возможна, тогда этой проблемы нет, нет этого рояля в кустах. Тогда мы принимаем, что вот потому-то они и размножились, что у них было свойство комплементарности. Она работала с самого начала, поэтому она и есть.

Из общих философских соображений я уверен, что неферментативная репликация в той или иной форме уже работала. Возможно, и химики в какой-то момент (надеюсь, что скоро) «поймают ее за хвост», найдут, в каких условиях всё это могло происходить.

— Спасибо, ну давайте на этой оптимистической ноте закончим. Это интервью у нас не последнее, серия будет продолжена, а пока что спасибо — и до свидания!


1 trv-science.ru/2022/05/v-poiskax-puti-k-sintezu-belkov/

2 Szostak J. W. The eightfold path to non-enzymatic RNA replication // Journal of Systems Chemistry. 2012. V. 3. P. 2. jsystchem.com/content/3/1/2

Подписаться
Уведомление о
guest

27 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Alеx
Alеx
1 месяц назад

Ничего не понял… Может, тут лучше бы начать с азов каких-нибудь: что это такое вообще, РНК-мир? Что там кодируют РНК и зачем? Какие преимущества могут иметь одни геномы над другими? С чем в геноме связаны эти преимущества, может быть вообще все варианты равноценны в смысле выживания? Или про порог Эйгена – я понял так, что при умеренном преимуществе “правильного” генома и большой изменчивости, “правильный” геном по частоте не будет превосходить неправильные, несмотря на отбор. Значит, в популяции будут с равной частотой встречаться все вообще возможные варианты генома? То есть, какой бы геном мы бы ни захотели, мы можем быть уверены, что он реализован и присутствует?

Борис Штерн
ТрВ
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

С азов – этого полно в других местах. Кунина и Маркова нерационально привлекать для азов. Порог Эйнгена не совсем так: при числе ошибок больше порога нет наследственности: если появился удачный “геном”, он не успеет реализовать свое преимущество раньше, чем это преимущество забудется

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  Борис Штерн

Я ещё в Википедию слазал, поэтому употребил другие слова:) “реализация преимущества” и “численное превосходство” – это одно и то же.

Конечно, все варианты не могут существовать одновременно, ибо их где-то четыре в степени длина. Они будут все перебраны, но за какое время? Надо полагать, немаленькое. Зато перебор идёт в отдельно взятой луже, а не в мириадах вселенных;) Но, правда, в интервью ничего не говорится о том, чтобы вообще какая-то мыслимая РНК могла реплицироваться точнее, чем другие.

В.П.
В.П.
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

С химической точки зрения в живых клетках три основных вида действующих лиц ДНК, РНК и белки. В ДНК хранится и дублируется наследственная информация, белки работают ферментами (катализаторами реакций) и обеспечивают усвоение и преобразование энергии, которая поступает в клетку извне. Связь между ДНК и белками осуществляют РНК разных типов: матричные, транспортные, рибосомальные. Они считывают информацию с ДНК, переносят “инструкцию” по созданию белка на “завод” в рибосому и там “штампуют” белки. Понятно, что такая сложная система сразу возникнуть не может и биохимикам очень хочется создать гораздо более простой, пусть не очень эффективный, но всё таки работающий, т.е. размножающийся прототип из одного типа биомолекул. Получаются, что из трёх типов ДНК, РНК и белков, только РНК может в принципе выполнять все функции. Отсюда гипотеза про РНК-мир, который предшествовал жизни как мы её знаем.

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  В.П.

Это понятно, но вопрос был не об этом. Ясно, что в мире РНК, как и в любом другом, ресурсы ограничены, значит, есть конкуренция и давление отбора. Хотелось бы, например, понять, как они (конкуренция и отбор) могли бы действовать, когда имеется лишь геном в чистом виде и больше ничего. И хотелось бы также понять, абсолютно ли необходима высокая точность репликации, или, сказав по-другому, что может происходить в этом мире при недостаточно высокой точности. Например, можно ли достичь способности к точной репликации путём перебора (в результате высокой изменчивости) и даст ли точная репликация конкурентное преимущество в этом мире. Наверняка есть и более интересные вопросы, которые я не могу задать по недостатку знаний.

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

А вот кстати, предел Эйгена – это вопрос сугубо математический, вот и прокомментировали бы.

В.П.
В.П.
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

Если распределение непрерывно и выполнены два условия: тип А размножается лучше и вероятность получить из типа А тип А выше, чем любой другой, то в пределе тип А всех вытеснит. Но у нас ситуация дискретная. Не может быть в популяции 0.3 экземпляра А. То есть тип А с существенной вероятностью вообще не будет иметь идентичного себе потомка. Есть порог вероятности получить А из А, при котором тип А уже спонтанно не исчезает из популяции.

Последняя редакция 1 месяц назад от В.П.
Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  В.П.

Но никто не утверждает, что он совсем исчезнет. Положим, вероятность точной репликации и численность популяции таковы, что приспособленный тип заведомо сохраняется, тогда он всех вытеснит? Вроде Эйген не согласен. Тут ссылка некрасивая, но попробую:
https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.bf39322a-658dada7-7ce72580-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Error_threshold_(evolution)

В.П.
В.П.
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

Да, я некорректно написал. Когда у нас типов мало, а популяция большая все типы всегда присутствуют. Просто любой тип случайно всегда образуется. Насколько я понимаю, эволюция запускается при следующих условиях:количество возможных типов гораздо больше чем численность популяции, точность репликации достаточна, чтобы потомки первого экземпляра успешного типа А сохранялись в популяции. Если с вероятностью 1 сохраняются, то с вероятностью 1 будут доминирующим типом. Конкретным вычислением предельных вероятностей занимается теория ветвящихся марковских процессов.

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  В.П.

Вот, может быть, какой вопрос имеет смысл: а что будет с типом, который реплицируется точнее других, но никакими другими преимуществами не обладает? Достигнет ли он успеха?

В.П.
В.П.
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

Хороший вопрос. В предельной ситуации несомненно достигнет. Предположим в каждом цикле реакций каждая молекула реплицируется один раз и совершенно случайно исходная молекула или репликант уничтожаются. Предположим только один тип реплицируется абсолютно точно, а остальные по мере накопления ошибок могут превратиться во что угодно и в устойчивый тип в частности. Очевидно, после достаточного числа итераций останется только устойчивый тип. Естественно предположить, что и в неидеальной ситуации более точная репликация сама по себе будет эволюционным преимуществом.

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  В.П.

Если так подумать, точная репликация определённого генома – это мистика. Если какой-то геном производит нечто, помогающее репликации, то почему оно будет помогать только этому геному? Будет помогать всем. Может быть, дело в пузырьках… в общем, не думаю, что мы тут сможем сами разобраться.

Denny
Denny
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

Именно за счет этого и живут вирусы.

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

Перечитал статью, видимо, ответ на последний вопрос отрицательный, ибо в статье вроде ничего об этом нет. То есть никакой геном, никакая информация, записанная в РНК (правдоподобной длины, надо полагать), не поможет этой РНК реплицироваться точнее.

Последняя редакция 1 месяц назад от Alеx
Denny
Denny
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

РНК мир сам по себе тупиковый. В самом лучшем случае может получиться только заполнение всего молеклами РНК. Прорыв возможен, когда подключаются белки. Нужна не просто саморепликация, а еще и способность катализировать сборку хотя бы маленьких пептидов из аминокислот. Которые, в свою очередь, будут выполнять другие функции, дающие дарвиновское преимущество породившим их нуклеотидным цепочкам.

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  Denny

Да, и вот хотелось бы как-то, хоть на примере, почувствовать, как эти маленькие пептиды могут давать дарвиновские преимущества молекулам РНК. А реальный вопрос, видимо, такой – могут ли эти маленькие пептиды как-то помочь молекулам более точно реплицироваться. Кстати, и будет ли эта точность дарвиновским преимуществом?

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

Кстати сказать, выработа пептидов находится в сложных отношениях с репликацией? Можно заниматься либо одним, либо другим, но не одновременно? Получается какая-то групповая эволюция?

Denny
Denny
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

В этом и проблема. Все, что может РНК-мир – воспроизводить цепочки из случайно образовавшихся элементов. Так и кристалл “умеет” нарастать. Никакой жизни и эволюции тут еще нет. Хотя это важнейший этап некоего начального упорядочивания.

Нужно, чтобы эти цепочки помимо самовоспроизведения обладали другой – каталитической активностью, которая способствовала бы их самовоспроизведению. Тогда замыкается обратная связь.

В нашей жизни это пептиды-белки (очень грубо). То есть те самые ферменты, которые обеспечивают нормальную репликацию и материалы для нее. И это как раз ключевой парадокс. Нужен и код и кодируемые им белки-ферменты.

Неферментативная (без белков) репликация в РНК мире, кажется, может дать выход. Начальные цепочки нуклеотидов могут образовываться без белкового компонента. Который можно подключить позднее. Что на много порядков понижает невероятность. Исчезает требование одновременности.

Лёня
Лёня
1 месяц назад
В ответ на:  Denny

“Так и кристалл “умеет” нарастать”
Кристалл нарастает в соответствии с энергетикой решетки и образования/разрыва межатомных связей. С энергетикой образования различных РНК, как я понимаю, всё гораздо сложнее и неоднозначней.

Denny
Denny
1 месяц назад
В ответ на:  Лёня

Сложнее, но принцип тот же. Сборка на матрице.

Alеx
Alеx
1 месяц назад
В ответ на:  Denny

Вроде бы проблема в том, что “в нашей жизни” это большие, а не маленькие, белки, откуда и невероятность.

Denny
Denny
1 месяц назад
В ответ на:  Alеx

Да, это как раз парадокс Эйгена. Но тут уже можно как-то бороться. Можно искать низкомолекулярные штуки, которые могут помочь. Вот аргининовые пептиды тут тоже поминались. И цитраты.

При взгляде на большие белки (а мы сейчас неплохо знаем их пространственную структуру) можно себе представить, что их функцию на примитивном уровне могли бы выполнять куда более маленькие.

Abraham
Abraham
1 месяц назад
В ответ на:  Denny

Как услышал про ион магния , сразу пришли в голову хелаты в биосистемах ионы как раз в виде комплексонов присутствуют, интересно пробовали ли другие комплексы с магнием ? Все эксперименты с минмальным количеством компонентов , или в среде весь “аминокислотный суп”присутствует ?
Меня тема очень волнует , с интересом читаю ваши статьи. И в свете развития ИНС в частности технологии “транформер”, пробовал ли кто-нибудь кормить , сеть вариантами генома , интересно какие важные участки в тексте она сможет найти , можно пробовать генерацию новых пептидов с более высокой эффективностью , сеть наверняка найдет закономерности, тот вектор который эволюционно изменялся , и много еще чего можно поидумать ведь это тоже язык в своем роде ?
И еще немного, хотелось бы обсудить с точки зрения эффективности геном , как фс имеет в основном только механизмы удлиняющие цепь, но это приводит к уменьшению эффективности и только у паразитов есть уменьшающие механизмы , почему так пошла эволюция и не объединила механизмы, или на ранних этапах жизни функции редактирования возлагались на вирусы ? И их роль тоже очень интересна это уже паразитизм или нечто иное?

Denny
Denny
1 месяц назад
В ответ на:  Abraham

Это, наверно, не мне. Я работаю в области ионных каналов.

Валерий
Валерий
1 месяц назад

Мне кажется, нужно уделять внимание и другим подходам к происхождению жизни, в частности, направлению “вначале метаболизм”, так как в этом направлении в последние годы появился ряд интересных результатов. А ещё до РНК могли использоваться и другие, более простые механизмы системной памяти.

Alеx
Alеx
1 месяц назад

Мне кажется, придумать вероятностно правдоподобную механику эволюции в РНК мире – задача была бы сама по себе интересная, даже безотносительно того, действительно ли так может возникнуть реальная жизнь:)

Дмитрий
Дмитрий
1 месяц назад

Ученые изучают как вирусы, микробы, бактерии создают цепочки, кирпичи молекулярного конструктора из аминокислот, из которых создаются более сложные микроорганизмы чем они? Неживые обьекты типа кристаллов льда могут создавать сложные аминокислоты, органические вещеста, сдавливая другие органические молекулы друг с другом? Если да, то надо поискать РНК у полярных шапок Марса,

Последняя редакция 1 месяц назад от Дмитрий
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (4 оценок, среднее: 4,75 из 5)
Загрузка...