НАЙДРЕВНІШИЙ ҐЕНЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

З якої точки ведеться відлік життя? Джерело ілюстрації: http://www.cyano-biotech.com

Андрій М. ЗАМОРОКА

Коли у далекому 1986-му році Вальтер Ґілберт запропонував свою знамениту гіпотезу “Світу РНК” – первісне життя було не білкове, а функцію геному виконувала не ДНК, то це мало ефект вибуху бомби! У науковому світі розпочались бродіння: одні гаряче підтримували ідею Ґілберта, бо це було свіже віяння у зайшлій до глухого кута білкової теорії, а інші так само гаряче заперечували її, мовляв, що це нісенітниця… Одначе, за останні три десятиліття, назбиралось достатньо фактів на підтримку гіпотези “Світу РНК” і уже мало хто вголос заперечує її. Але питання про походження життя на цьому не вичерпується, а ставить нові завдання – як виникли живі істоти на базі РНК? З яких простіших форм вони еволюціонували? Де власне початок життя?

Понад 3,5 мільярди років тому живі істоти, на противагу теперішнім, не мали ДНК і, в цілому, були набагато примітивнішими за своєю орґанізацією. Вони вимерли, коли Землю колонізовували їх еволюційно досконаліші нащадки бактерії, синьо-зелені водорості та археї. Вченим, за викопними рештками, достовірно відомо що перші бактерії заселяли планету щонайменше 3,4 мільярдів років тому, синьо-зелені водорості – 3,5 мільярдоліть назад, а сліди життєдіяльності якихось істот – 3,8-4 мільярдоліть… Тобто, живі істоти виникли зразу по утворенні нашої планети. Отой відтинок часу у 300-600 мільйоноліть – час між з’явою перших слідів життєдіяльності та першими свідченнями присутності сучасних прокаріотів (без’ядерних істот – авт.), – приховує найбільш вагомі таємниці еволюції та виникнення життя у його нинішньому вигляді.

Строматоліти - найдревніші із відомих екосистем абсолютно не змінились за 3,5 мільярдоліть. Джерело ілюстрації: http://www.crikey-adventure-tours.com

Визначальним для існування усього живого є процес передачі і реалізації спадкової інформації. За спрощеною схемою він виглядає так, що на материнському ланцюзі ДНК синтезується дочірній, забезпечуючи передачу інформації. Реалізація ж відбувається шляхом її переписування із ДНК на РНК, а відтак на білок. А власне білок визначає характеристики орґанізму. Уся ця система, насправді, є надзвичайно складною і реалізується завдяки величезній кількості механізмів, які запобігають збоям і помилкам, а в орґанізмовому масштабі – смерті. На запитання: “Як усе це виникло?”, креаціоністи відповідали: “Волею божою!”, у той час як науковці шукають більш приземлене пояснення. Підказкою стала сама РНК, адже білок не синтезується безпосередньо із ДНК, та й процес реплікації (подвоєння) останньої, неможливий без коротесенького ланцюжка – праймера РНК. Усі ці РНК-посередники наштовхнули вчених на думку: “А що як живі орґанізми у далекому минулому існували не завдяки ДНК, а завдяки РНК?” Таким чином виникла гіпотеза “Світу РНК”, прийнята сьогодні багатьма вченими за відправну точку еволюції сучасного життя. Одначе, РНК потребує значних затрат енерґії на свій синтез, навіть за умови самокаталізу свого відтворення. Тому гіпотеза “Світу РНК” стикається із труднощами саме у моментах постійного надходження енерґії для підтримки переважання синтезу нових ланцюгів над розпадом старих і забезпечення еволюційного процесу… Існує припущення, що “Світ РНК” виник на готовій базі певних гіпотетичних попередників, які уже були живими істотами, щоправда, дуже примітивними… Цілком ймовірно, що сучасна біологія саме знаходиться на порозі розкриття цієї таємниці.

Носток - одна із найбільш розповсюлдженіших синьо-зелених водоростей і один із об'єктів дослідження на природний синтез компонентів ПНК. Джерело ілюстрації: http://www.photomacrography1.net

Відгадка криється у, так званих, ПНК – пептидних нуклеїнових кислотах! Простіше кажучи, – білках, які за будовою і функціями є аналогами нуклеїнових кислот – РНК і ДНК. Цілком ймовірно, що саме ПНК утворювали ґеном перших живих істот на Землі. Про побічне підтвердження такої гіпотези повідомили вчені у недавній публікації в журналі Громадської Наукової Бібліотеки (PLoS ONE). Вони, як годиться, взяли для своїх досліджень найдревніші із відомих теперішніх істот – синьо-зелені водорості, виявивши у них синтез молекул дещо незвичної амінокислоти N-(2-аміноетил) гліцину. Яку роль ця речовина відіграє у синьо-зелених водоростей залишається невідомим, адже досі вважалось, що у живих істот вона не синтезується взагалі. Натомість, у лабораторних умовах ця речовина є дуже давно відомою і її полімери широко застосовуються у медицині та косметології. Наприклад, для підвищення експресії ґенів при різноманітних ґенетичних порушеннях, антиґенної та антисенсорної терапії при імунних та алергічних захворюваннях, у боротьбі з раком, вірусами, бактеріями, різноманітними паразитами та у багатьох інших випадках… Цікавий факт: N-(2-аміноетил) гліцин виявлено у міжзоряному льоді, протопланетних хмарах, кометах – він легко утворюється під дією різноманітного космічного випромінювання. Тобто, Земля, ще до свого виникнення була уже наповнена цією сполукою…

N-(2-аміноетил) гліцин. Джерело ілюстрації: http.www.chemfrog.com

N-(2-аміноетил) гліцин дуже легко полімеризується при 100°С, утворюючи довгі лінійні молекули. Зважаючи на те, що виникнення життя сьогодні асоціюють із гарячими ґеотермальними джерелами – ґейзерами, то останній факт має дуже важливе значення для спонтанного виникнення молекулярних біосистем! Ця речовина легко сполучається із азотистими основами, і утворює ПНК. Практична відсутність слідів цих полімерів у сучасних живих істот, ставить сферу досліджень на рейки виключного теоретизування, яке, щоправда, має надважливе наукове значення.

Сама по собі ПНК ще нічого не означає, адже вагу має лише закодована у ній інформація. Як могла виникнути система ґенетичної інформації при зародженні життя? Очевидно, водойми довкола древніх ґейзерів нагадували гарячий суп із орґанічних сполук в тому числі й ПНК. Очевидно, що виникнення перших ПНК та їх еволюція відбувались не у “мікрокосмах” жирових чи якихось орґанічних крапель, а все ж таки відкритому водному середовищі. Перші ПНК, незалежно від довжини ланцюгів, повинні були містити абсолютно випадкові послідовності азотистих основ, але у будь-якому разі на одному й тому ж самому ланцюзі знаходились комплиментарні ділянки, які заставляли скручуватись їх у найрізноматніших конфіґураціях, утворюючи своєрідні “грудочки”. Кожна така “грудочка” за тим же принципом комплиментарності взаємодіяла з іншими, внаслідок чого утворювались цілі кластери ПНК.

У нескінченних варіаціях самих “грудочок” та їх кластерів неодмінно були такі, що мали каталітичну властивість – це були перші ензими, за аналоґією із рибозимами. Вони, наприклад, могли каталізувати нескінчене відтворення самих себе. В результаті, їх кількість швидко збільшувалась і для кожного нового циклу самовідтворення усієї їх сукупності потребувалось більше ресурсів – мономерів N-(2-аміноетил) гліцину (або його аналога – авт.) сполученого з азотистими основами, що породжувало активну конкуренцію із ПНК, котрі утворювались завдяки спонтанній полімеризації. Звичайно, ПНК також розкладаються водою, то ж природний добір йшов шляхом “виживання” конфіґурацій, котрі, окрім самокаталізу, були й стійкими до руйнації водою. Наступний еволюційний крок – це, напевно, було “хижакування”, коли окремі ПНК-ензими здані були руйнувати інших ПНК з метою здобуття мономерів N-(2-аміноетил) гліцину для свого “розмноження”. Відповіддю на аґресоію стало утворення захисних кластерів зі структурними ПНК і власними “хижаками”. У міру розростання таких кластерів, завдяки адґезії, вони покривались жировим шаром – протомембраною, це уже були найдревніші протоклітини.

Вході еволюції роль ПНК на себе перебрали РНК, ознаменувавши початок "Світу РНК" http://www.biokemi.org

Але з’ява бар’єру між кластером і тепер уже зовнішнім середовищем обмежувала доступ до ресурсів, що спричинило новий виток еволюції – розвиток способів поглинання їжі: фагоцитозу та піноцитозу. Ліпідна мембрана давала ще одну перевагу – захист від атак “хижих” ПНК, та й зрештою, до розвитку активного обміну речовинами із зовнішнім середовищем і здатністю до внутрішнього каталізування процесів синтезу необхідних сполук із простіших складових – так виник метаболізм, одна із основних ознак живих істот. Метаболізм забезпечив продукцію АТФ (аденозинтрифосфорна кислота), що дало можливість забезпечити протоклітини енерґією. Оскільки ПНК за своїми властивостями є комплементраною до аналогічних молекул РНК, то у тих груп первісних істот – протобіонтів, що переписували каталітичну інформацію на цю нуклеїнову кислоту, з’явилась значна перевага у метаболізмі й еволюційна перспектива. Адже каталітична активність РНК є набагато вищою, і що цікаво – РНК здатна утворювати комплекси із амінокислотами, а деякі – до синтезу білкових ланцюгів. Білок же у свою чергу забезпечував структуру у древніх кітлинах. Це був етап переходу від “Світу ПНК” до “Світу РНК”, виникнення апарату синтезу білка та збереження інформації про нього у спадкових молекулах.

Викладені вище міркування – це лише здогадки, котрі потребують ще свого доведення, проте, вони можуть бути цілком реальним сценарієм з’яви і розвитку життя на Землі. Тим паче, що перші сліди компонентів ПНК знайдені у найбільш примітивних із сьогоденішніх істот, а матеріал для їх синтезу широко розповсюджений у міжзоряному льоді…

Живемо очікуванням, що до кінця цього десятиліття таємниця походження життя на Землі буде остаточно розгадана!

admin Written by:

4 Comments

  1. Січень 8, 2015
    Reply

    Суперово розповіли: нескладно і науково

    • Січень 8, 2015
      Reply

      Дякую, пане Sehrg!

Напишіть відгук

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *

6 + 1 =