Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Химики подтвердили возможность одновременного появления ДНК и РНК на заре жизни

Химики и молекулярные биологи синтезировали нуклеозиды ДНК и РНК из одних и тех же компонентов, сообщается в Nature. Это показывает, что нуклеиновые кислоты обоих типов могли образоваться в одно и то же время, а не последовательно (сначала РНК, потом ДНК), как считали некоторые сторонники теории мира РНК.

Чтобы передавать генетическую информацию, нужно копировать (реплицировать) несущие ее молекулы — РНК и ДНК. РНК поддерживает собственную репликацию, а для копирования ДНК нужны ферменты ДНК-полимеразы. Это белки, и они могут появиться, только если уже есть соответствующие молекулы РНК. Последние теоретически способны выступить и в качестве источника информации о составе ДНК-полимераз, и в качестве катализатора их образования. Биологическая система, в которой есть только РНК, но нет ДНК, может самовоспроизводиться, а система с ДНК, но без РНК — нет. Поэтому ряд биологов считает, что сначала возникли РНК-объекты, а уже потом появилась ДНК и произошло разделение функций: РНК осталась матрицей для синтеза белков и катализатором, а ДНК стала хранителем информации. Гипотеза мира РНК, в рамках которой развиваются эти взгляды, в последние годы находит много подтверждений.

Однако не вполне понятно, как дезоксирибонуклеиновая кислота отделялась от рибонуклеиновой, как они сосуществовали в первое время. ДНК и РНК собираются из нуклеотидов — небольших молекул из сахара рибозы или ее производного дезоксирибозы, азотистого основания и фосфатной группы (если фосфатной группы нет, соединение называется нуклеозидом). Нуклеотиды в составе ДНК и РНК разные: у первых в рибозе на один атом кислорода меньше, чем у вторых, также в ДНК может быть азотистое основание тимин, но не урацил (он в РНК). Реакции синтеза таких нуклеотидов требуют разных условий, и это аргумент в пользу того, что ДНК не «произошла» от РНК, а сосуществовала и, скорее всего, коэволюционировала с ней.

Исследователи из Великобритании и Польши во главе с Джоном Сарезлендом (John Sutherland) из Кембриджского университета проверили, могли ли одновременно синтезироваться нуклеозиды ДНК и РНК. В 2009 году они уже пробовали создать «кирпичики» нуклеиновых кислот из циановодорода и других простых молекул под действием ультрафиолета и выяснили, что для образования нуклеозидов не обязательно собирать их из сахара и азотистого основания. В тех экспериментах сразу получились соединения с рибозой и пиримидинами в составе — ангидронуклеозиды, стадий со свободными рибозой и азотистыми основаниями не было. Теперь ученые проанализировали, какие промежуточные продукты получались в тех реакциях, и попробовали синтезировать на их основе дезоксирибонуклеозиды.

В новых экспериментах удалось получить соединения, которых в 2009 в продуктах не обнаружили, — дезоксиаденозин и дезоксиинозин (из второго можно получить гуанозин). Кроме того, оказалось, что пуриновые (аденозин, гуанозин) нуклеозиды можно синтезировать примерно в тех же условиях, и пиримидиновые (цитидин, уридин, 5-метилуридин), а раньше их удавалось получить совместно разве что последовательно меняя влажность. В продуктах реакций нашли все нуклеозиды, нужные для построения ДНК и РНК (добавление к нуклеозидам фосфата авторы считают простой операцией, и она не должна ограничивать сборку более сложных молекул), а это значит, что нуклеиновые кислоты обоих типов могли появиться в одно время.

Сазерленд предполагает, что первые молекулы нуклеиновых кислот представляли собой гибриды ДНК и РНК. Однако молекулы-химеры, которые составлены из рибонуклеотидов и дезоксирибонуклеотидов, не очень устойчивы и должны были бы быстро распадаться на фрагменты «чистых» ДНК и РНК — или, вероятно, не образовываться вовсе. Правда, не все сторонники гипотезы мира РНК считают, что дезоксирибонуклеиновая кислота должна была формировать гибриды с рибонуклеиновой.

Происхождение жизни и ее эволюция — невероятно масштабные и сложные темы. Изучить их силами одних только биологов или одних только химиков невозможно, необходима работа самых разных специалистов. Это понимает один из величайших биологов нашего времени Евгений Кунин, автор книги «Логика случая» и лауреат премии имени Георгия Гамова 2018 года. Интервью с ним можно почитать тут.

Светлана Ястребова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.