Жизнь, как мы ее знаем, основана на сложной сети взаимодействий, которые происходят в микроскопических масштабах в биологических клетках и включают тысячи различных молекулярных видов. В нашем организме один фундаментальный процесс повторяется бесчисленное количество раз каждый день. В операции, известной как репликация, белки дублируют генетическую информацию, закодированную в ДНК.молекулы хранятся в ядре клетки, прежде чем распределять их поровну между двумя дочерними клетками во время деления клетки. Затем информация выборочно копируется (транскрибируется) в так называемые молекулы информационной РНК (мРНК), которые направляют синтез множества различных белков, необходимых для данного типа клеток. Второй тип РНК — транспортная РНК (тРНК) — играет центральную роль в "трансляции" мРНК в белки. Передача РНК действует в качестве посредников между мРНКом и белками: они гарантируют, что аминокислоты субъединицы которых каждый конкретный белок состоит помещены вместе в последовательности , указанной соответствующей мРНК.
Как могло возникнуть такое сложное взаимодействие между репликацией ДНК и трансляцией мРНК в белки, когда на ранней Земле впервые появились живые системы? Перед нами классический пример проблемы курицы и яйца: белки необходимы для транскрипции генетической информации, но сам их синтез зависит от транскрипции.
Физики LMU под руководством профессора Дитера Брауна продемонстрировали, как можно было решить эту загадку. Они показали, что незначительные модификации в структурах современных молекул тРНК позволяют им автономно взаимодействовать с образованием своего рода модуля репликации, который способен экспоненциально реплицировать информацию. Это открытие означает, что тРНК — ключевые посредники между транскрипцией и трансляцией в современных клетках — также могли быть решающим звеном между репликацией и трансляцией в самых ранних живых системах. Таким образом, это могло бы дать четкое решение вопроса о том, что появилось раньше — генетическая информация или белки?
Поразительно, что с точки зрения их последовательностей и общей структуры тРНК высоко консервативны во всех трех сферах жизни, то есть одноклеточных архей и бактерий (у которых отсутствует клеточное ядро) и эукариот (организмов, клетки которых содержат истинное ядро). Этот факт сам по себе говорит о том, что тРНК являются одними из самых древних молекул в биосфере.
Как и более поздние этапы эволюции жизни, эволюция репликации и трансляции — и сложные отношения между ними — не были результатом внезапного единственного шага. Это лучше понимать как кульминацию эволюционного пути.
В своих экспериментах ученые использовали набор взаимно комплементарных цепей ДНК, смоделированных на основе характерной формы современных тРНК. Каждая состояла из двух "шпилек" (названных так потому, что каждая нить могла частично соединяться сама с собой и образовывать удлиненную петлевую структуру), разделенных информационной последовательностью посередине. Восемь таких цепей могут взаимодействовать посредством комплементарного спаривания оснований с образованием комплекса. В зависимости от шаблонов спаривания, продиктованных центральными информационными областями, этот комплекс был способен кодировать 4-значный двоичный код.
Каждый эксперимент начинался с шаблона — информационной структуры, состоящей из двух типов центральных информационных последовательностей, которые определяют двоичную последовательность. Эта последовательность определяет форму комплементарной молекулы, с которой она может взаимодействовать в пуле доступных цепей. Далее исследователи продемонстрировали, что шаблонную бинарную структуру можно многократно копировать, то есть усиливать, применяя повторяющуюся последовательность температурных колебаний между теплом и холодом. Поэтому вполне возможно, что такой механизм репликации мог иметь место в гидротермальной микросистеме на ранней Земле. В частности, водные растворы, захваченные в пористых породах на морском дне, обеспечили бы благоприятную среду для таких реакционных циклов, поскольку естественные колебания температуры, вызванные конвекционными токами,
В процессе копирования комплементарные цепи (взятые из пула молекул) объединяются в пары с информационным сегментом цепочек-шаблонов. С течением времени соседние шпильки этих прядей также объединяются в пары, образуя стабильный каркас, и колебания температуры продолжают управлять процессом усиления. Если температура повышается в течение короткого периода времени, нити матрицы отделяются от вновь образованной реплики, и обе затем могут служить в качестве нитей матрицы в следующем раунде репликации.
Команде удалось показать, что система способна к экспоненциальной репликации. Это важный вывод, поскольку он показывает, что механизм репликации особенно устойчив к коллапсу из-за накопления ошибок. Тот факт, что структура репликаторного комплекса сама по себе напоминает структуру современных тРНК, предполагает, что ранние формы тРНК могли участвовать в процессах молекулярной репликации до того, как молекулы тРНК взяли на себя их современную роль в трансляции последовательностей матричной РНК в белки. Эта связь между репликацией и трансляцией в раннем эволюционном сценарии могла бы обеспечить решение проблемы курицы и яйца. Это также могло объяснить характерную форму протот-тРНК и выяснить роль тРНК до того, как они были кооптированы для использования в трансляции.
Лабораторные исследования происхождения жизни и появления дарвиновской эволюции на уровне химических полимеров также имеют значение для будущего биотехнологии.
