Жизнь на Земле могла появиться в результате гибрида молекул ДНК и РНК

Несмотря на неудачные попытки создать жизнь в лабораторных условиях, ученым удалось узнать, что в самой основе жизни лежат две основные формы генетического кода – молекулы ДНК и РНК, которые содержатся в клетках всех живых организмов, являясь основой всей земной биологии. Согласно распространенной гипотезе, РНК сформировала основу биосферы Земли задолго до того, как появились ДНК и другие важные для жизни молекулы. Однако трудность создания рибозы а затем ее соединение с остальными молекулами в условиях, предположительно существовавших на ранней Земле, является главным недостатком идеи РНК. По этой причине ученые искали более вероятные способы получения рибозных сахаров. Как показали результаты нового исследования, ДНК и РНК могли существовать на планете еще до возникновения жизни. Но как такое возможно?

ДНК, возможно, смешалась с РНК, чтобы произвести первую жизнь на Земле

Рибонуклеиновая кислота или РНК – это линейная молекула из одной цепочки нуклеотидов (структурных элементов), которая служит для образования белка. В состав мономеров (нуклеотидов) РНК в качестве сахара входит рибоза, остаток фосфорной кислоты и азотистого основания (аденит, гуанин, урацил и цитозин).

Основа жизни на Земле

Используя химическую систему на основе цианистого водорода, предназначенную для имитации условий на ранней Земле, международная команда ученых из Англии, Шотландии и Польши получила так называемое «основание» – четыре молекулярные «буквы» генетического алфавита. Все вместе эти основания образуют генные последовательности, которые клетки затем переводят в белки. Как выяснилось в ходе ряда последовательных экспериментов, два из четырех полученных оснований были обнаружены в форме ДНК, а два других – в РНК. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Работа во главе с Джоном Сазерлендом из Лаборатории молекулярной биологии медицинского исследовательского совета в Кембридже еще больше подрывает популярную гипотезу РНК, согласно которой ДНК появилась именно благодаря РНК. Однако до настоящего времени было найдено очень мало свидетельств того, что химические пути превращения РНК могут привести к образованию ДНК. Люди склонны думать о РНК как о родителе ДНК. Но результаты работы предполагают, что ДНК и РНК являются молекулярными братьями и сестрами, – считает Джон Сазерленд, ведущий автор исследования.

Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК – это длинная молекула, которая хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. ДНК обеспечивает передачу генетических данных из поколение в поколение на протяжении всей эволюции живых существ.

Как появилась жизнь на Земле?

Ученые пытаются выяснить как появилась жизнь на Земле начиная с 1950-х годов. Именно тогда американские исследователи Стэнли Миллер и Гарольд Юри провели эпохальный эксперимент. Пара имитировала воздействие молнии в атмосфере и океане ранней Земли, вызывая электрические разряды в колбах, содержащих водород, воду, аммиак и метан. Хотя их эксперимент произвел органические молекулы, жизненно важные для биохимии, в течение десятилетий другие исследователи обсуждали правдоподобность условий проведенного эксперимента.

Появление жизни на Земле – один из главных вопросов современной науки

Тем не менее, работа Миллера и Юри показала, что получить важные вещества – например, аминокислоты, которые соединяются для формирования белков, выполняющих множество функций в живых клетках – довольно просто. Особое значение для исследований происхождения жизни имеет тот факт, что белки могут выступать в качестве катализаторов, усиливая и ускоряя другие химические реакции, которые в противном случае были бы слишком медленными или неэффективными. И все же, белки – не единственные возможные катализаторы возникновения жизни на Земле.

В работе, которая в конечном итоге принесла ученым Нобелевскую премию по химии 1989 года, молекулярный биолог Сидней Альтман и биохимик Томас Чех обнаружили, что РНК – долгое время считавшаяся лишь промежуточным носителем генетической информации, подчиненной ДНК — может также вести себя как катализатор. Гипотеза РНК предполагает, что такие молекулы могут самовоспроизводиться, обеспечивая раннюю эволюцию до появления ДНК и белков. Однако идея «мира РНК» была чрезмерно восторженной реакцией на блестящее открытие.

Как пишет Scientific American, чтобы создать длинные цепочки ДНК, основания сначала соединяются с «позвоночником» молекул сахара. Эти комбинации образуют нуклеозиды: дезоксирибонуклеотиды в ДНК и рибонуклеозиды в РНК, которые образуют единую спираль. Нуклеозиды — это гликозиламины, содержащие азотистое основание, связанное с сахаром. Нуклеозиды используют не столовый сахар или сахарозу, а скорее рибозу в РНК и дезоксирибозу в ДНК. Различие между двумя типами сахара очень незначительно: всего один атом кислорода и один атом водорода. Однако этого различия достаточно, чтобы ДНК и РНК имели различные биологические роли.

Атомы, из которых состоит все живое на планете, появились в результате взрыва сверхновых звезд

В ходе работы ученые смешали некоторые промежуточные молекулы из предыдущих исследований с солями – нитритом натрия и хлоридом магния, которые могли быть распространены на первобытной Земле, а затем подвергли их кислотным условиям и теплу соответственно. С помощью этих шагов исследователи нашли два возможных способа добавить четвертое основание – менее распространенный нуклеозид инозин. Этого оказалось достаточно, чтобы создать четырехбуквенный генетический алфавит, в котором каждое основание в молекулярной цепочке взаимодействует исключительно с одной из трех других букв во второй цепочке – так работают современные РНК и ДНК. Но в эксперименте две буквы пришли из РНК, а две – из ДНК.

Как полагает Сазерленд, люди склонны думать, что РНК предшествует ДНК, а затем каким-то образом захватывается ею. Это предполагает, что жизнь могла возникнуть из гибрида РНК-ДНК, который затем мог дать начало двум отдельным молекулам. Однако команда Сазерленда еще не собрала отдельные нуклеозиды и рибонуклеозиды в более длинные цепочки. Это важно, потому что демонстрация того, что гибридные нити действительно могут образовываться и связываться с партнерской нитью, имеет решающее значение для понимания зарождения жизни на Земле. Что ж, пожелаем исследователям удачи и будем ждать продолжения исследований!