РНК научили синтезировать РНК

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.

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


Александр Марков, «Рождение сложности: Эволюционная биология сегодня. Неожиданные открытия и новые вопросы», 2010

Евгений Кунин, «Логика случая: О природе и происхождении биологической эволюции», 2014

Михаил Никитин, «Происхождение жизни: От туманности до клетки», 2016


N+1

Похожие новости:
Ученые синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева
Немецким физикам удалось синтезировать 117-й элемент таблицы Менделеева, сообщает New Scientist. Данный элемент был открыт в 2009 году в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) и ранее уже был синтезирован учеными из России и США. Первоначально физики из Германии намеревались синтезировать 119-й элемент ..
2014-05-05 2496 0 Научные открытия
0
Ученые синтезируют 119-й и 120-й элементы таблицы Менделеева
Японские ученые из государственного Института естественных наук "Рикэн" готовятся синтезировать 119-й и 120-й элементы таблицы Менделеева. Об этом рассказал сегодня один из участников исследовательской группы. Для того, чтобы получить пока не существующий 119-й элемент, ученым предстоит ..
2012-10-7 4770 5 Научные открытия
0
Немецкие ученые синтезировали новый химический элемент
Физики из Германии синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева. Результаты своего исследования авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, кратко с ним можно ознакомиться на сайте New Scientist. Первоначально физики хотели синтезировать 119-й элемент таблицы, но после безуспешных попыток ..
2014-05-06 1884 0 Научные открытия
0
Новый элемент таблицы Менделеева получил название
Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) официально утвердил название 113-го элемента периодической системы химических элементов. Так, новый сверхтяжелый элемент получил название «нихоний» и символ Nh, сообщается на сайте Японского института естественных наук «Рикэн».Ученые ..
2016-12-01 3588 0 Научные открытия
0
Японские физики докладывают об открытии 113-го элемента
Группа японских учёных представила экспериментальные свидетельства того, что ей удалось синтезировать сверхтяжёлый элемент со 113 протонами в ядре, пока носящий название унунтрий, сообщает Lenta. Ru. Изотоп унунтрия 278113 физики получали в реакции вида 209Bi + 70Zn > 278113 ..
2012-09-29 1938 0 Научные открытия
0
Микробиологи обнаружили у вирусов иммунную систему
Совсем недавно журнал Nature сообщил, что микробиологи из США  нашли у одного из вирусов аналог иммунной системы. Вирус имеет белок, который подавляет защиту бактерий, заражаемых этим вирусом. Как пояснили ученые,  этот участок является своеобразной иммунной ..
2013-03-2 1638 0 Научные открытия
-1
Фотонную нейронную сеть научили считать
Инженеры из университета Гента разработали фотонный чип, построенный по принципам нейронных сетей. Он состоит всего из 16 узлов, однако способен выполнять все типичные задачи машины Тьюринга. Описание устройства опубликовано в журнале Nature Communications, кратко о нем можно прочитать на сайте ..
2014-04-03 1517 0 Научные открытия
0
Ученым удалось найти способ выключения памяти
Исходя из недавних исследований, американские нейробиологи пришли к выводу, что синтез белков необходимых для формирования памяти контролируется с помощью микро РНК. Во время эксперимента, ученые обрабатывали нейроны, которые выращивались в лабораторных условиях гормоном BDNF, после чего наблюдали ..
2012-03-8 1677 0 Научные открытия
0
Ученые впервые синтезировали ДНК с тремя парами оснований
Американские ученые из TSRI (The Scripps Research Institute, Исследовательский институт Скриппса) впервые синтезировали ДНК с тремя парами оснований и вырастили на ее основе культуру бактерий, способных к самовоспроизводству. Биологи представили свою работу в журнале Nature, кратко с ее результатами можно ..
2014-05-08 1696 0 Научные открытия
0
Из бактерий и золота ученые создали материал будущего
Человечество пока не строит космические корабли, походящие на гигантские живые организмы, как в научной фантастике, но подобное уже, кажется, не за горами. Исследователи из Массачусетского технологического института разработали материал будущего - нечто, обладающее свойствами живых и неживых субстанций. Если коротко, инженеры ..
2014-05-05 2956 0 Научные открытия
0
Созданы альтернативные ДНК и РНК
Журнал Science сообщает о гигантском прорыве в генетике - объединенной группе ученых из разных стран удалось синтезировать альтернативные версии ДНК и РНК. Эти молекулы точно так же способны хранить и передавать по наследству генетическую информацию. Группа ученых из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже под руководством ..
2012-04-23 2390 0 Научные открытия
0
Причину появления смертельных опухолей нашли в генетическом мусоре
Ученые нашли способ выяснить, для чего нужны «мусорные» гены. Для этой цели исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско использовали модифицированную технологию редактирования генов CRISPR/Cas9. Статья генетиков опубликована в журнале Science.Система CRISPR/Cas9 состоит из двух компонентов — направляющей ..
2016-12-21 4804 0 Научные открытия
0
Биологи раскрыли тайну неуправляемого деления раковых клеток
Группа биологов из Института Гульбенкяна в Португалии сумели понять, как материнская клетка при делении распределяет среди дочерних клеток правильное количество центриолей — органелл, участвующих в формировании клеточного центра и веретена деления, и отклонения в численности которых может спровоцировать рак. ..
2016-04-23 2230 0 Научные открытия
0
Учёные впервые расшифровали произвольные слова в мозге
Новый эксперимент приближает время, когда парализованные люди смогут полноценно общаться при помощи декодируемой мысленной речи. Возможно, развиваемый метод также пригодится для налаживания связи с пациентами, находящимися в коме или состоянии минимального сознания. Пока, правда, технология ..
2012-02-2 1657 0 Научные открытия
0
В мозге обнаружили производство женских половых гормонов
Группа американских исследователей обнаружила, что мозг может производить женский половой гормон эстрадиол. Подробности приведены в статье специалистов из Национального центра изучения приматов в Висконсине для The Journal of Neuroscience. Кратко о работе ученых рассказывает Medical Express. Открытие было сделано ..
2013-12-25 1347 0 Научные открытия
0