По современным представлениям, жизни, такой как мы ее знаем, предшествовал мир молекул РНК. Эту концепцию создал выдающийся ученый, один из отцов-основателей молекулярной биологии, академик А. С. Спирин.
РИА Новости попросило рассказать об этом его учеников и коллег из Института белка РАН — заведующего лабораторией биохимии вирусных РНК, члена-корреспондента РАН Александра Четверина и доктора биологических наук Елену Четверину. Беседовала Татьяна Пичугина.
— Три главных биополимера образуют жизнь — ДНК, РНК и белки. ДНК хранит генетическую информацию, она как сейф. Получили удачный вариант и перевели его в форму ДНК, где он остается неизменным в течение многих поколений. В этом ряду РНК — уникальная молекула. Как и ДНК, она несет генетическую информацию, но, кроме того, быстро эволюционирует. РНК способна служить матрицей для синтеза белка, ДНК и себя самой. В отличие от ДНК и белков, РНК самодостаточна. В 1982-м обнаружили, что она может катализировать, то есть ускорять, биохимические реакции. В 2000-м установили: именно РНК катализирует реакции образования пептидных связей, приводящие к синтезу белков. Тогда Александру Сергеевичу Спирину стало очевидным, что жизнь зародилась в форме РНК, и он начал развивать свою концепцию.
— Александр Борисович, кто все-таки автор идеи?
— Считается, что об этом раньше всех, в 1968-м, написали англичанин Френсис Крик, одни из первооткрывателей двойной спирали ДНК, и американец Лесли Оргел. Однако за 11 лет до этого ту же идею высказал советский биохимик, учитель Спирина академик Андрей Николаевич Белозерский. И хотя дело было на международном симпозиуме по происхождению жизни, на Западе это не заметили.
Спирин развил идею в концепцию, опираясь и на наши разработки.
"Создается впечатление, что РНК, связанная с наиболее общими проявлениями жизнедеятельности, сформировалась на более раннем этапе развития жизни, в то время как возникновение ДНК связано с формированием более узких и филогенетически более поздних свойств организмов". (А. Н. Белозерский, Московский международный симпозиум "Происхождение жизни на Земле", 1957 год)
— В какой момент появляется РНК и что этому предшествует?
— Для начала нужны нуклеотиды (органические соединения, из которых состоят РНК, ДНК. — Прим. ред.). Они могли синтезироваться спонтанно, например, при грозовых разрядах в бескислородной атмосфере. В 1992-м выяснили, что модифицированные нуклеотиды способны сами собой объединяться в короткие олигонуклеотиды. Затем мы в Пущино обнаружили, что между молекулами РНК возможна спонтанная (самопроизвольная) рекомбинация, приводящая к их объединению и обмену участками. Спирин предположил, что эта реакция и послужила первичным способом возникновения молекул РНК. Путем спонтанной рекомбинации короткие олигонуклеотиды соединялись в длинные молекулы РНК.
© РИА Новости / Всеволод Тарасевич / Директор Института белка АН СССР, советский и российский ученый, один из отцов-основателей молекулярной биологии, академик А. С. Спирин
Но чтобы случайно возникшие молекулы РНК дали потомство, нужна их репликация — копирование по принципу комплементарности.
Спирин предложил такой механизм. Образовалась длинная матрица, и на ней из коротких олигонуклеотидов посредством открытых нами спонтанных реакций объединения собиралась комплементарная цепочка. Но есть проблема. В результате формировалась двутяжная (двуцепочечная) молекула, представляющая собой, подобно ДНК, двойную спираль. Однако такая РНК инертна, у нее все кодирующие валентности заняты. Поэтому она не может служить матрицей. Нужна одноцепочечная молекула. Значит, двутяжную РНК надо расплести на составные цепи. Спирин сделал вывод, что без молекулярной машины здесь не обойтись.
— Что это за молекулярная машина?
— К идее молекулярных машин Спирин пришел, изучая рибосомы — клеточные частицы, синтезирующие белки. Они состоят из двух половинок — малой и большой субчастиц. По модели, предложенной Спириным еще в 1968-м, каждый цикл наращивания полипептидной цепи новой аминокислотой сопровождается размыканием и смыканием этих половинок и перемещением рибосомы вдоль матричной РНК на один триплет — три нуклеотида, кодирующих данную аминокислоту. Но рибосома — огромная частица массой около трех миллионов дальтон. Для сравнения: молекула воды — 18 дальтон. Что заставляет эту "машину" работать? Какое у нее топливо?
Предположили, что это ГТФ (гуанозинтрифосфат), который потребляется рибосомой подобно тому, как АТФ (аденозинтрифосфат) — при мышечном сокращении. Однако оказалось, что рибосома работает и без ГТФ, только медленнее.
© Фото : Canadian Light Source/Kathryn Janzen / Поли(rA)11 двуспиральная РНК
Единственный доступный источник энергии — тепловое (броуновское) движение молекул растворителя, главным образом воды, бомбардирующих рибосому. Более того, выяснилось, что суммарная мощность, получаемая рибосомой от этих ударов, в миллиарды раз превышает то, что поступает от ГТФ. Но такие удары хаотичны, только часть их полезна. Значит, нужен какой-то Фейнмановский "храповик", "фильтрующий" удары и обеспечивающий движение рибосомы по матричной РНК в определенном направлении.
Спирин показал, что таким храповиком выступает сам синтез полипептида. Это необратимый однонаправленный процесс. Можно сравнить его с регулировщиком на перекрестке.
В принципе, эту проблему можно решить иным способом. Например, в известном процессе ПЦР (полимеразной цепной реакции. — Прим. ред.), широко используемом, в частности, для диагностики инфекций, помогают периодические изменения температуры. При относительно низкой (50-60 градусов) копируются цепи ДНК, а при высокой (около 100 ) — расплетаются образующиеся двутяжные молекулы, что гарантирует продолжение процесса синтеза ДНК в следующем цикле.
Вероятно, на космическом теле, где зарождался мир РНК, были необходимые суточные колебания температуры, а само это тело представляло собой аналог гигантской ПЦР-машины. Однако работала такая машина очень медленно — один цикл в сутки. Дальнейшая эволюция требовала ускорения, и понадобились молекулярные машины.
Первой могла стать молекула РНК, способная катализировать сборку цепи, которая комплементарна матрице, — прообраз современной РНК-полимеразы. Пока первичная РНК-полимераза имела малый размер, ей приходилось ждать, чтобы наступил день и синтезированные ею двутяжные РНК расплелись.
Здесь необходимо отметить, что двутяжная молекула ДНК или РНК расплетается при повышении температуры благодаря увеличению суммарной мощности ударов по ней молекул растворителя. Этого можно достичь не только повышая температуру, но и увеличивая размер мишени.
По мере увеличения размера в результате эволюции РНК-полимераза стала превращаться в молекулярную машину, способную ловить броуновское движение, как парус ловит ветер, и расплетать связанную с ней двутяжную РНК. Постепенно расплетание происходило при все более низкой температуре, и наконец весь процесс репликации РНК оказался возможным при постоянной температуре. Храповиком в данной ситуации служил необратимый синтез комплементарной цепи.
— Это же очень сложные процессы.
— Сложные, но Спирин исходил из того, что жизнь существует, значит, как-то возникла. Все это заняло огромный промежуток времени. Для развития необходимо, чтобы сохранялись и размножались молекулы с полезными свойствами. То есть происходила эволюция. Дарвин полагал, что жизнь зародилась в теплом маленьком пруду. Однако в нем не было бы отбора лучших молекул РНК. Если бы, например, в пруду возникла РНК-полимераза, она реплицировала бы не только лучшие молекулы РНК с полезными для популяции свойствами, но и бесполезные, которых гораздо больше.
"В теплом маленьком пруду, содержащем наборы аммонийных и фосфорных солей, при наличии света, тепла, электричества и тому подобного, можно представить себе химическое образование белкового компонента, который бы далее подвергался еще большему усложнению". (Чарльз Дарвин, "Начала", 1871 год)
© EurekAlert!/Lucy Entwisle / Ранняя Земля
— То есть нужна протоклетка?
— Да, компартментализация, то есть обособление ансамблей молекул. Чтобы преимущественно размножались ансамбли тех молекул, чьи свойства лучше дополняют друг друга. Первым эту идею высказал советский биохимик, академик Александр Иванович Опарин. Он считал, что первичная компартментализация осуществлялась в белковых сгустках — коацерватных каплях. Получал их экспериментально. Но в РНК-мире белков еще не было и коацерваты сформироваться не могли. Американец Джек Шостак, впоследствии нобелевский лауреат, предположил, что обособление происходило в липосомах — капельках, окруженных липидной мембраной. Но в РНК-мире липидов тоже не было. Кроме того, липидная мембрана непроницаема для растворимых веществ, в том числе нуклеотидов, из которых строятся молекулы РНК. В современной клетке этот барьер преодолевается за счет особых белков, образующих каналы для переноса таких веществ. Но тогда этого механизма не существовало.
Здесь пригодилось еще одно наше открытие — молекулярные колонии. Они возникают так же, как клеточные, когда на агар высевают бактерии. Только мы пропитали агарозу полимеразой (работали с вирусной Qβ-репликазой) и посеяли молекулы РНК. На месте каждой молекулы, застрявшей в матриксе геля, выросла колония точных ее копий. Мы показали, что молекулярные колонии можно использовать для клонирования РНК и ДНК, а также для диагностики. Причем точность диагностики выше, чем при жидкостной ПЦР. Сейчас наш метод используют в технологии секвенирования геномов нового поколения.
© Фото : Е. В. Четверина / Заведующий лабораторией биохимии вирусных РНК Института белка РАН, член-корреспондент РАН А. Б. Четверин
© Фото : Е. В. Четверина / Ведущий научный сотрудник лаборатории биохимии вирусных РНК Института белка РАН, доктор биологических наук Е. В. Четверина
Спирин предположил, что самый естественный способ компартментализации в мире РНК — колонии молекул, растущие в глине на дне периодически пересыхающего дарвиновского пруда. Допустим, случайно образовались рибозимы (РНК с функцией фермента. — Прим. ред.), пруд высох, молекулы внедрились в глину, образовали колонии. Опять ливень, колонии частично растворились, а когда пруд высох, заняли иное положение на глине, росли уже в других местах. Здесь уже мог действовать естественный отбор.
— Это на Земле происходило?
— Спирин считал, что вряд ли. Скорее всего, РНК занесли метеориты.
— С другой планеты?
— Непонятно. Откуда-то из космоса.
— Предположим все же, что это произошло на Земле. Ее возраст — 4,5 миллиарда лет. Сначала это был раскаленный, кипящий шар, с сильным вулканизмом, серной атмосферой, неясно, была ли там вода.
— Считается, что воду на Землю занесли кометы.
© Фото : Felipe Gomez/Europlanet 2020 RI / Впадина Данакил в Эфиопии с очень необычными условиями обитания, больше похожими на инопланетные
— Первые организмы появились примерно четыре миллиарда лет назад. Получается, что жизнь возникла всего за полмиллиарда лет. Этого достаточно?
— На самом деле времени еще меньше — примерно 100 миллионов лет. Этого мало. Спирин склонялся к тому, что на Землю попали развитые молекулы РНК, прошедшие довольно длинный путь эволюции.
— Что мы должны увидеть в метеоритах, кометном веществе, чтобы поверить в реальность РНК-мира? Там находят довольно много органических молекул, первокирпичиков.
— Мы можем увидеть там только набор каких-то веществ. Это не РНК-мир в понимании Спирина. Допустим, короткий олигонуклеотид. Это ничего не доказывает. Если бы мы анализировали метеориты, для которых есть хронологическая шкала, мы бы увидели некую тенденцию к изменению или приближению к тому, что считаем миром РНК. Но мы анализируем много метеоритов, не зная, откуда они, какого возраста и в какой последовательности образовались.
— Экспериментально идея РНК-мира подтверждена?
— Эти процессы очень медленные, неэффективные, занимают миллионы лет. В лаборатории так не сделать.
— Периодически все же публикуют экспериментальные работы. В одной из недавних — Джеральда Джойса из Института Солка — говорится об РНК-ферменте, который может аккуратно копировать нити РНК и вместе с тем допускает эволюцию.
— Экспериментаторы используют методы, которых не было на первозданной Земле. Они берут на себя роль Бога. Это нельзя назвать естественным процессом.
— Разве они не демонстрируют, что такой могла быть эволюция?
— Если бы там был Джойс или Шостак, которые обеспечивали селекцию молекул с позитивными признаками, то это был бы искусственный отбор. И где там? Потенциальное место происхождения — весь космос, никто не знает, где сложились наиболее оптимальные условия. Заслуга Спирина в том, что он сформулировал принципы, по которым могла начаться эволюция.
© Фото : Medical Research Council, 2011 / "Происхождение жизни — очень благодарная тема, потому что мысль работает, а свидетелей нет. И никто из нас при этом не присутствовал. Вот так. Пища для ума". (Академик А.С. Спирин)
— Как он думал доказать это?
— Для него было важно построить логически непротиворечивую концепцию, которая опирается на известные факты.
— А экспериментальные доказательства?
— Никто не знает, как их получить. Как только подключается экспериментатор, это уже не естественный процесс. А естественный длится столько, что воспроизвести его в лаборатории нельзя. В этом логический парадокс. Тестируют пока лишь отдельные моменты концепции.
Можно идти от противного. Другие молекулы не годятся для первичного мира. Они не способны воспроизводиться, эволюционировать, спонтанно формировать структуры, обладать необходимыми свойствами. Если исходить из того, что жизнь произошла естественным путем, а не дана свыше, то единственный известный нам биополимер, который умеет все это, — РНК.
Концепция Спирина хорошо продумана и логически непротиворечива. Для нас она наиболее убедительна. Самое интересное, что целиком разработана в России.
© Фото : OAR/National Undersea Research Program (NURP); NOAA / "Черный курильщик" в Срединно-Атлантическом хребте. Такие гидротермы могли быть колыбелью жизни
Заглавное фото: © NASA Goddard/CI Lab/Dan Gallagher
