Znanstveniki z univerze v Cambridgeu so prejeli nove dokaze v prid hipotezi sveta RNA. Izkazalo se je, da majhne verige aminokislin v kombinaciji z RNA izboljšajo njihove katalitične lastnosti, kar jim omogoča, da postanejo manj odvisne od strupenih ionov. In to je nujen pogoj za nastanek prvih celic. "Lenta.ru" govori o delu, objavljenem v reviji Nature.
Po hipotezi sveta RNA je življenje nastalo iz preprostega biološkega sistema, v katerem ni bilo molekul DNK in beljakovin. Sestavljen je iz kompleksov RNA, ki so sposobni ne samo shranjevati genetske informacije, ampak tudi katalizirali kemične reakcije (v tem primeru so jih poimenovali ribocimi). Z drugimi besedami, združili so funkcije DNK in encimov. Potem je kombinacija RNA s peptidi in deoksiribonukleinska kislina privedla do nastanka enoceličnih organizmov. Vendar se postavlja vprašanje: kakšna je bila korist od interakcije med svetom RNA in proteini?
Menijo, da so ribocimi, imenovani polimeraze RNA, sestavljeni iz večine sveta RNA. Bili so replikatorji - predmeti, ki se lahko samoprenovijo. Viri za to so bili nukleotidi v primarni juhi. Na začetku so se ribozimi težko kopirali, saj njihove katalitične sposobnosti niso bile razvite. Naredili so napake, zaradi česar so bili ribocimi z mutacijami. Te spremembe bi lahko RNA polimerazi odvzele sposobnost katalizacije, vendar se je v nekaterih primerih ta kakovost, nasprotno, izboljšala. Sčasoma so se ribozimi razmnoževali hitreje in natančneje, postali številčnejši in zmagali na tekmovanju za vire.
Tako so bili ribozimi primarni genomi, saj so hranili genetske podatke o svojem zaporedju. Kasneje so jih vgradili v delce, ki jih tvorijo lipidne membrane, kar je privedlo do nastanka prve protocelice. Znanstveniki lahko sintetizirajo analoge ribozima za polimerazo RNA, ki katalizirajo sintezo drugih ribocimov ali celo kopirajo kratka zaporedja ribonukleotidov. Vendar še vedno ni mogoče dobiti replikatorja ribozima.
Ribosome Thermus thermophilus
Slika: Public Domain / Wikimedia
Obstaja tudi druga težava. Ribocimi, sintetizirani v laboratorijih, so aktivni le v zelo visoki koncentraciji magnezijevih ionov, ki uničujejo lipidne membrane. To pomeni, da obstaja temeljna nezdružljivost med polimeraza ribonukleinske RNA in postopki tvorbe protocelic.
Promocijski video:
Položaj rešuje dejstvo, da molekule RNA niso bile izolirane od mnogih drugih kemičnih spojin, kot so peptidi. Ribocimi bi lahko sodelovali z zaporedji aminokislin, kar je vplivalo na njihovo delovanje. To podkrepi tudi dejstvo, da je aktivnost ribocimov, kot so spliceosomi (izločanje intronov iz dozorele RNA), ribosomi (ki sodelujejo v sintezi beljakovin) in ribonukleaza P (katalizira razgradnjo RNA), odvisna od sorodnih beljakovin. Raziskave so pokazale, da določeni proteini, ki se vežejo na ribocime, povzročajo spremembe v njihovi sekundarni strukturi in delovanju. Tako lahko v primeru ribonuklez P beljakovine zmanjšajo koncentracijo magnezijevih ionov, ki so potrebne za njihovo aktivnost. S tem v mislih so se znanstveniki odločili, da bodo ugotovili, ali lahko peptidi na podoben način vplivajo na delovanje ribozimov RNA polimeraze, kar zmanjša njihovo odvisnost od magnezija.
Da bi odgovorili na to vprašanje, je treba izbrati ne beljakovine, ampak le tiste, ki so nekoč posegali v ribocime sveta RNA. Znanstveniki so se obrnili na strukturo ribosomov, ki so nekakšna molekularna relikvija. Rezultati raziskav kažejo, da so bili ribosomi v svoji sodobni obliki že prisotni v LUCA - skupnem predniku vseh sodobnih življenjskih oblik.
Struktura ribosomske podenote Thermus thermophilus
Slika: Philipp Holliger / Cambridge
V strukturi ribosoma, ki ga tvorijo beljakovine, ribonukleinske kisline in ioni, je zabeleženo njegovo evolucijo. Tako je osnova velike ribosomske podenote obogatena z magnezijevimi ioni. Postopoma se je zaraščalo z dodatnimi moduli, v katerih so ione zamenjali peptidi. Po mnenju znanstvenikov razmerje med ribozimi in aminokislinskimi verigami odraža evolucijsko zgodovino sveta RNA in njen prehod v svet RNA-peptidov. Zato je bil analiziran učinek peptidov iz ribosomov, ki veljajo za najstarejše proteinske sekvence na Zemlji.
Raziskovalci so identificirali več peptidov iz obeh podenot ribosoma bakterije Thermus thermophilus, kar je povečalo aktivnost RNA polimeraze Z ribozim, ki posnema molekule RNA.
Fluorescentna mikroskopska slika membranskih veziklov
Slika: MRC Laboratorij za molekularno biologijo / Cambridge / Združeno kraljestvo
Najpomembnejši učinek pa je imel homopolimerni lizin dekapeptid (K10), aminokislinsko zaporedje desetih molekul lizina. Podpiral je funkcije ribozima v nizkih koncentracijah magnezijevih ionov, ki tvorijo kompleks peptid-ribozim. Znanstveniki domnevajo, da je to posledica stabilizacije vmesnih snovi v katalitičnem ciklu.
Da bi preizkusili, ali lahko ta peptid spodbuja aktivnost ribocimov v membranskem predelu, so raziskovalci izvedli poskus. Dobili smo stabilne vezikle, ki so bili sestavljeni iz fosfolipidov in diacilglicerolov, znotraj katerih je bila RNA kapsulirana. Pri koncentraciji magnezijevih ionov 10 milimolov (varno za membrano) in v prisotnosti K10 smo opazili sintezo RNA, katalizirano z ribozimi. Ker pa magnezija ni, sinteza ni prišla.
To kaže, da so peptidi res dovolili ribozimom izvajati katalitično aktivnost pri nizkih koncentracijah strupenih ionov. Posledično se je zmanjšala odvisnost polimeraz RNA od anorganskih molekul, kar je olajšalo njihovo evolucijo in navsezadnje evolucijo celic.
Aleksander Enikejev