Канадские ученые методом эволюции в пробирке создали РНК-фермент (рибозим), способный уcтойчиво воспроизводить молекулы РНК после специфического распознавания их промотора. Это вносит существенный вклад в поддержку гипотезы зарождения современной жизни на Земле на основе РНК. Отчет об исследовании опубликован в журнале Science.
Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). Суть этой гипотезы состоит в том, что на заре эволюции первой сложной биомолекулой, способной к самовоспроизведению и катализу, была рибонуклеиновая кислота (РНК). Ее мономеры — нуклеотиды — могли образовываться в ходе химических реакций без участия живых систем, в 2020 году Томонори Тотани (Tomonori Totani) предложил статистическую модель ее случайного возникновения во Вселенной. Позже РНК эволюционировала в дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), лучше подходящую для хранения генетической информации, а ее соединения с пептидами — рибонуклеопротеины — в белки, лучше выполняющие каталитические, транспортные, структурные и сенсорные функции. Наследниками мира РНК в современных организмах считаются рибосомы, чья рибозимная активность отвечает за процесс трансляции, а также универсальное производство и хранение энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ) и функционирование рибонуклеотидов в качестве коферментов и сигнальных молекул.
Предложены и альтернативные теории зарождения жизни на Земле. Также не исключено, что РНК-жизнь была не первой, но оказалась наиболее успешной. Тем не менее гипотеза мира РНК в настоящее время доминирует в науке, хотя и в ней есть немало пробелов. Один из них — объяснение возникновения полимеразных рибозимов (синтезирующих РНК на матрице РНК), которые обладают достаточной процессивностью (способностью присоединять последовательные мономеры без высвобождения получающегося полимера). Существующие попытки их создания in vitro особым успехом не увенчивались из-за низкой аффинности таких рибозимов к матрице.
Петер Унрау (Peter Unrau) и Разван Кожокару (Razvan Cojocaru) из Университета Саймона Фрейзера предположили, что РНК-полимеразный рибозим может частично гибридизироваться со специфичным праймером, который напоминает бактериальный сигма-фактор инициации транскрипции, обеспечивающий связывание РНК-полимеразы с промоторами определенных генов. Такой аналог скользящего зажима в открытой конфигурации мог бы находить матричную одноцепочечную РНК и после ее фиксации отделять праймер от сайта его связывания с рибозимом, переводя зажим в закрытую форму и обеспечивая процессивность. По схожему принципу работают бактериальные ДНК-зависимые РНК-полимеразы.
Чтобы проверить свою гипотезу, авторы работы оттолкнулись от известного РНК-полимеразного рибозима B6.61, состоящего из каталитического лигазного ядра и дополнительного домена, обеспечивающего присоединение нуклеозидтрифосфатов (мономеров нуклеиновых кислот). В исходную молекулу внесли изменения, добавив к ней праймер-связывающий сайт, вставляя случайные последовательности до получения 1013 вариантов биомолекулы и удалив лишнюю последовательность из дополнительного домена. Полученный пул молекул подвергли 30 циклам направленной селекции, отсеивающей неспецифичные к матрицам варианты и выделяющей работоспособные зажимы и высокую процессивность.
Путем дальнейшей эволюции в пробирке под действием различных мутагенов исследователи получили функциональный РНК-полимеразный рибозим с зажимом (clamping polymerase, CP). В ряде экспериментов он успешно определял промоторы заданных РНК-матриц, связывался с ними и эффективно производил их копии подобно тому, как работают ДНК-зависимые РНК-полимеразы прокариот.
«Эта РНКовая полимераза обладает многими характеристиками современных белковых полимераз; она эволюционировала так, чтобы распознавать РНК-промотор и процессивно копировать РНК. Полученные результаты подразумевают, что схожие рибозимы на ранних стадиях развития жизни могли приобрести столь же сложные биологические свойства», — пояснил Унрау.
«Путем изучения фундаментальной сложности жизни в лабораторных условиях, мы можем начать оценку вероятности того, насколько другие планеты, такие как Марс, имели или до сих пор имеют потенциал для поддержания жизни», — добавил он.
Ранее исследователям уже удавалось использовать «эволюцию в пробирке» для синтеза РНК-полимеразных рибозимов, но не обладающих зажимом и ограниченных по точности синтеза. Также различные научные коллективы показали, что синтезу нуклеотидов при возникновении жизни способствовала цикличная смена влажности, а подходящей подложкой для синтеза из них РНК могла служить глина.