Ученые скоро смогут воссоздать самое первое существо, появившееся на Земле

Происхождение жизни — одна из самых волнующих, фундаментальных загадок, стоящих перед человечеством. Тысячелетиями философы, теологи и ученые пытались проникнуть в тайну, как из неживой материи возникли первые живые организмы. Современная наука, изучая мельчайшие строительные блоки жизни, стремится реконструировать события, произошедшие миллиарды лет назад на молодой Земле.

В центре этих поисков — гипотеза, предполагающая ключевую роль одной удивительной молекулы в зарождении способности к самовоспроизведению, фундаментального свойства всего живого. Эта гипотеза, известная как «мир РНК», подразумевает, что рибонуклеиновая кислота (РНК) была предшественницей ДНК и белков в качестве основного носителя генетической информации и катализатора биохимических реакций.

Согласно теории «мира РНК», на протяжении примерно 400 млн лет ранняя Земля была царством этой универсальной молекулы. Предполагается, что жизнь зародилась благодаря самовоспроизводящимся молекулам РНК, еще до появления ДНК или даже белков. 

Однако, во-первых, в современной биологии не найдено никаких следов этого «первого репликатора». Во-вторых, ученым до сих пор не удавалось убедительно воспроизвести процесс репликации РНК в лабораторных условиях, имитирующих раннюю Землю. Поиск доказательств и экспериментальное моделирование этих процессов являются ключевыми задачами для понимания абиогенеза — возникновения живого из неживого.

Многие исследовательские группы по всему миру работают над решением этих проблем, пытаясь воссоздать условия, которые могли бы способствовать саморепликации РНК. Сложность заключается в том, что молекула РНК, хотя и способна хранить информацию и катализировать реакции, довольно нестабильна, а ее самокопирование — процесс, требующий специфических условий и, возможно, вспомогательных молекул или сред. Какие химические и физические факторы могли запустить этот механизм на безжизненной планете? Были ли это геотермальные источники, мелкие водоемы, подверженные циклам высыхания и увлажнения, или какие-то другие уникальные ниши ранней Земли?

Загадка жизни

Недавнее исследование, проведенное учеными из Университетского колледжа Лондона (UCL) совместно с экспертами из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, приблизило научное сообщество к разгадке этой тайны. Команда сосредоточилась на преодолении одной из главных трудностей репликации РНК — тенденции двухцепочечной спирали РНК «застегиваться», что препятствует копированию. Их новаторский подход может дать представление о том, как жизнь впервые зародилась на Земле.

В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature Chemistry, ученые использовали трехбуквенные «триплетные» строительные блоки РНК — тринуклеотиды. Их подвергали воздействию кислоты и тепла в воде, что приводило к разделению двойной спирали РНК. Затем раствор замораживали. Именно в этот момент, по мнению исследователей, могло произойти нечто похожее на зарождение жизни: в жидких промежутках между кристаллами льда эти строительные блоки покрывали нити РНК, предотвращая их обратное «застегивание». После оттаивания раствора и корректировки pH и температуры РНК начала реплицироваться снова и снова. В конечном итоге нить РНК стала настолько длинной, что эти структуры смогли бы выполнять биологические функции.

«Триплетные или трехбуквенные строительные блоки РНК, тринуклеотиды, которые мы использовали, не встречаются в современной биологии, но они обеспечивают гораздо более легкую репликацию. Самые ранние формы жизни, вероятно, сильно отличались от любой известной нам жизни, — заявил Джеймс Эттуотер, ведущий автор исследования из UCL. — Изменяющиеся условия, которые мы создали, могут возникать естественным образом, например при суточных циклах изменения температуры или в геотермальных средах, где горячие породы встречаются с холодной атмосферой».

Этот эксперимент демонстрирует правдоподобный механизм, с помощью которого могла происходить неферментативная репликация РНК в условиях пребиотической Земли.

Университетский колледж Лондона давно занимается реконструкцией сценариев зарождения жизни. Например, в 2017 году исследователи проанализировали химические процессы, которые обеспечили Землю нуклеотидами, необходимыми для построения первых структур РНК. Новое исследование в лабораторных условиях делает следующий шаг, пытаясь понять, как эти древние РНК начали репликацию — процесс, необходимый для понимания основ жизни.

«Жизнь отделена от чистой химии информацией, молекулярной памятью, закодированной в генетическом материале, которая передается из поколения в поколение, — отметил Филипп Холлигер, старший автор исследования из Лаборатории молекулярной биологии MRC. — Чтобы этот процесс произошел, информация должна быть скопирована, то есть реплицирована, для передачи дальше».

На данный момент исследователям удалось реплицировать примерно 17% нити РНК (около 30 из 180 «букв»), но команда утверждает, что нет причин, по которым они не смогут достичь полной репликации при улучшении эффективности процесса, возможно, за счет оптимизации условий или использования более эффективных каталитических последовательностей РНК (рибозимов).

Ученые также отмечают, что эта реакция не может происходить в соленой воде (соль нарушает процесс замерзания), но геотермальные пресноводные озера или пруды могли бы стать идеальной химической средой для запуска репликации РНК. Хотя многие вопросы остаются без ответа, это исследование подтверждает, что древний «мир РНК» на Земле действительно мог обладать способностью к саморепликации, делая интригующий шаг вперед в понимании происхождения жизни.