РНК научили синтезировать РНК

Биологи из Инстититута Скриппса в ходе эксперимента по «эволюции-в-пробирке» получили молекулу РНК, которая способна катализировать синтез других РНК. Предполагается, что на заре возникновения жизни появление подобных молекул должно было стать переломной точкой между химической и биологической эволюцией. И, хотя такие РНК-ферменты уже делали в подобных системах, новая молекула обладает существенно большей универсальностью. Работа опубликована Proceedings of the National Academy of Sciences.

РНК, в отличие от ДНК, способна образовывать сложную трехмерную структуру и благодаря этому может выступать в роли фермента — ускорять протекание химических реакций (подробнее об отличиях можно прочитать здесь). РНК-ферменты называются рибозимами (ribonycleotide enzymes), и диапазон реакций, которые они способны катализировать, достаточно широк. Некоторые рибозимы даже специально выращиваются для практического применения в лабораторных тест-системах.

Однако биологов больше интересуют рибозимы, которые можно рассматривать как следы древнего РНК-мира — состояния возникающей жизни до момента появления современной системы синтеза белков. К таким следам относятся, например, РНК-интроны, которые вырезают сами себя из созревающей матричной РНК, РНК-затравки фермента теломеразы, работа которого необходима для синтеза ДНК на концах хромосом, и так далее. Главным свидетельством существования мира РНК является, конечно, рибосома — молекулярная машина, ядро которой составляет именно РНК, катализирующая синтез белков.

Гипотеза мира РНК принимается сейчас большинством специалистов по происхождению жизни и хорошо разработана (свежий обзор работ на эту тему можно прочитать здесь). Однако ключевой для этой гипотезы остается проблема возникновения рибозимов-полимераз, которые могли бы обеспечивать репликацию РНК. Без таких молекул (или ансамблей молекул) невозможно представить возникновение дарвиновской эволюции. Эксперименты по созданию таких молекул в лаборатории продолжаются более 20 лет, и на данный момент ученым удалось достичь скромных успехов.

Проводятся подобные эксперименты по следующей схеме. Исследователи берут некую исходную РНК-молекулу или просто случайную РНК-цепочку и амплифицируют ее в пробирке — то есть создают множество копий исходной РНК, в том числе со случайными мутациями. Затем проводится отбор молекул — например, на их способность катализировать присоединение нуклеотида к затравке. Отбираются только лучшие молекулы, которые затем снова амплифицируются и проходят следующий цикл отбора.

Такой метод ускоренной эволюции на сегодняшний день позволил биологам создать несколько молекул, которые более-менее удачно катализируют полимеризацию десятков РНК-нуклеотидов на РНК-матрице. Недавно группе из Кембриджа удалось создать рибозим, который может катализировать полимеризацию до двух сотен нуклеотидов — это уже цифра, превышающая длину большинства самих рибозимов. Однако до сих пор все полученные рибозимы-полимеразы очень капризны по отношению к природе синтезируемой РНК. Так, в кембриджской работе с рекордной длиной речь шла о специальной, удобной для этого рибозима матрице, а не о репликации рибозимом самого себя — такая молекула считается «Святым Граалем» в данной области и до сих пор никем не получена.

Капризность рибозимов-полимераз не случайна, а имеет фундаментальную природу. Дело в том, что хорошая с точки зрения полимеразы матрица должна иметь линейную структуру и не формировать узлов и петель вторичной структуры. С другой стороны, если РНК не образует узлов и петель, ей «нечем будет работать», то есть она не сможет выполнять какую-либо значимую функцию. В попытке преодолеть это противоречие авторы новой работы разработали новый механизм отбора полимераз, который максимизирует не длину синтезируемого продукта, а его функциональную способность — например, способность связывать какое-то вещество.

«Эволюция в пробирке», которую проводили авторы, начиналась с известной РНК-полимеразы, в последовательность которой вводилось около 10 процентов мутаций. Таким образом формировался пул уникальных рибозимов размером около 10¹⁴ штук. Рибозим должен был катализировать удлинение РНК-затравки на основе РНК матрицы, причем затравка была ковалентно присоединена к рибозиму. После того как происходило удлинение затравки, затравка и вновь синтезированная РНК могли вместе сформировать третичную структуру, которая и использовалась для отбора. Например, если РНК-продукт должен был связывать витамин цианокобаламин, то отбирались именно те комплексы продукт-рибозим, которые связывались на хроматографической колонке с цианокобаламином. Эти комплексы затем расшивались и удачные варианты рибозимов амплифицировались. После 24 циклов такого отбора ученые получили несколько вариантов рибозима, существенного отличающегося от исходной молекулы.

Как оказалось, новая молекула (она получила название 24-3) в среднем в сто раз быстрее синтезирует нуклеотиды, чем исходный вариант и, что важнее, ей практически безразличен нуклеотидный состав матрицы. Точность синтеза при этом оказалась несколько ниже исходной (около 92 процентов — точность самых «плохих» природных полимераз составляет около 99 процентов). С помощью новой молекулы авторы провели синтез природной фенилаланиновой транспортной РНК и даже сделали РНК-вариант полимеразной цепной реакции, ПЦР. В ходе ПЦР матрица многократно амплифицируется в ходе нескольких этапов синтеза. Следует отметить, что для РНК-ПЦР ученые использовали очень короткую и простую матрицу. Сама себя рибозим-полимераза синтезировать не смогла.

Проблема возникновение рибозим-полимераз и автономных репликаторов вообще остается одной из самых трудных в области исследования происхождения жизни. Дело в том, что для возникновения дарвиновской эволюции недостаточно появления просто точных полимераз, они должны быть при этом еще и компактными — иначе непонятно, как объяснить их случайное возникновение. Если говорить правильнее, речь идет о соотношении между точностью репликатора и объемом наследственной информации — эти величины связаны так называемым порогом Эйгена. Дарвиновская эволюция становится возможна только выше порога Эйгена, ниже которого мутационная катастрофа и вымирание неизбежны. 

Александр Ершов