Земные белки возникли просто

Для синтеза самых первых белковых молекул на Земле не требовалось никаких экстремальных условий.

Одна из главных реакций во всех клетках: белок из класса РНК-полимераз делает РНК-копию на ДНК-шаблоне (РНК и ДНК показаны спиральными нитями в центре белковой молекулы). (Иллюстрация: NIH Image Gallery / Flickr.com.)

Зарождение жизни на Земле обычно ассоциируется с какими-то необычайными катаклизмами. Дело в том, что биологические молекулы устроены сложно, а химические соединения в «дожизненные» времена были довольно простыми. В лабораторных условиях «слепить» биологические молекулы из простых компонентов – задача не из легких, и долгое время считалось, что подобные реакции требовали огромного количества энергии и могли протекать лишь в исключительных условиях – с помощью сильного УФ-излучения, на фоне сверкающих молний и пылающих вулканов.

Но кто сказал, что сложные биологические молекулы на самом деле образовались за один прием? Вероятно, на деле все происходило в несколько этапов и с множеством промежуточных веществ, которые, в свою очередь, помогали процессу «жизнестроительства» продвигаться дальше, вплоть до появления биомолекулы. Такой точки зрения придерживаются исследователи из Технологического института Джорджии, предложившие сценарий возникновения первых белков на нашей планете.

По мнению Джея Форсайта (Jay Forsythe) и его коллег, все началось с депсипептидов – белковоподобных молекул, содержащих в своём составе, кроме аминокислот, ещё и гидроксикислоты. Так называют структурные аналоги аминокислот, которые часто находят на метеоритах и в которых не было недостатка ни тогда, ни сейчас. (Например, к гидроксикислотам относят лимонную, молочную и яблочную кислоты.) Гидроксикислоты гораздо легче связываются с аминокислотами, чем аминокислоты – между собой. С другой стороны, их связи с аминокислотами очень легко разрушаются водой, тогда как связи аминокислот друг с другом в водных растворах очень устойчивы.

Если представить, что депсипептиды то «высыхают», то опять попадают в воду, гидроксикислоты из них будут вымываться, а в освобождающиеся места будут встраиваться аминокислоты с «водостойкими» связями, и через какое-то время депсипептиды будут состоять уже только из одних аминокислот. Стоит подчеркнуть, что сами по себе, без посредничества гидроксикислот, аминокислоты при обычных условиях соединяться не стали бы, особенно в такие большие структуры.

Это не просто отвлеченная гипотеза – превращение депсипептидов в белки исследователи наблюдали в лабораторном эксперименте. Более того, оказалось, что таким способом можно получить молекулы самого разного строения, а где есть разнообразие, там есть и эволюционный отбор. В естественных условиях такая реакция могла происходить где-нибудь в прибрежной зоне мелких, насыщенных органическими веществами водоемов, на камнях, куда депсипептиды приносило волнами и где они высыхали на солнце, а затем с брызгами и дождем снова «сползали» обратно – и так много раз подряд. Полностью результаты исследований опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Как новые результаты соотносятся с общими представлениями о появлении жизни, которые бытуют в современной науке? Ни для кого не секрет, что аминокислоты у нас в клетках никогда не собираются в белки сами по себе. Для сборки белков существует специальная молекулярная машина, которая присоединяет аминокислоты в строго определенной последовательности, прописанной в геноме. Поэтому долгое время все недоумевали, как на этапе зарождения жизни белок мог появиться раньше, чем нуклеиновая кислота, если информация о его структуре закодирована именно в ней? Оставалось только допустить, что так было не всегда. Появилась гипотеза, что «на заре времен» белки ничем не кодировались и возникали в результате самосборки.

Такой «изначальный биосинтез» попытались осуществить в лабораторных условиях, стараясь сымитировать условия, в которых химические соединения находились на планете миллиарды лет назад: через реакционные смеси пропускали электрические разряды, разогревали их до аномальных по современным меркам температур и пр. Что-то в итоге получалось, но получалось плохо: до таких изящных экспериментов, как с депсипептидами, было ещё далеко.

Другая проблема с белковой гипотезой касалась наследственности. Если аминокислоты в белке выстраиваются всякий раз в случайную последовательность, и последовательность эта нигде не кодируется (по белковой гипотезе, нуклеиновых кислот еще нет), то структуру конкретного белка просто невозможно повторить – не может появиться второго поколения молекул, которые повторяли бы «предков».

Но для того, чтобы получилась самая примитивная клетка с самым примитивным обменом веществ, нужно иметь на руках довольно внушительный комплект белков. Вероятность того, что они все могли бы получиться одновременно, исчезающе мала. Такое могло бы произойти, если бы информация о них хранилась долгое время, тогда те, кто появился раньше, воспроизводя себя в следующих поколениях, могли бы дождаться остальных. Но копировать сами себя белки не могут, а посторонних носителей информации тогда, повторим, еще не было.

Решение проблемы с передачей наследственной информации появилось с открытием у нуклеиновых кислот исключительно важных свойств. Клетки синтезируют и РНК, и ДНК с помощью ферментов – белков, которые облегчают реакцию присоединения нуклеотидов (составных частей нуклеиновых кислот) друг к другу.

Ферментативные свойства долгое время считались уникальными для белков, но в 1970-е их вдруг обнаружили и у некоторых разновидностей рибонуклеиновой кислоты. Оказалось, что некоторые РНК способны катализировать присоединение нуклеотидов – то есть РНК синтезировала РНК. И, что важно, при синтезе нуклеиновая кислота воспроизводила собственную нуклеотидов последовательность. Иными словами, можно представить себе древний мир биомолекул, которые передают информацию о самих себе из поколения в поколение, только биомолекулы эти – не белки, а РНК. Появилась гипотеза «мира РНК», которая остаётся общепринятой и по сей день.

Копируя самих себя, нуклеиновые кислоты неизбежно допускали ошибки, так что «потомки» выходили, хоть в целом и похожими на «родителей», но все-таки с отличиями. Под влиянием условий среды из таких разнообразных потомков преимущество получали лишь некоторые – например, те, которые копировали себя быстрее остальных.

В дальнейшем оказалось, что быстрее всего дело идет с помощью других молекул – например, белков, так что в итоге в эволюционной гонке вперед вырвались те, кто научился симбиозу с белками. По мере развития нуклеиново-белковых «отношений» возник генетический код, когда нуклеиновые кислоты научились кодировать аминокислотную последовательность своих «напарников», а РНК уступила место ДНК как главной наследственной молекуле.

В гипотезе «мира РНК» все ещё много умозрительных допущений, однако тут постепенно появляются новые исследования, позволяющие вполне удовлетворительно проиллюстрировать некоторые темные места – так, эксперименты с депсипептидами показывают, что у древних нуклеиновых кислот мог быть широкий выбор в смысле белковых молекул для сотрудничества.

Ну а что касается самого исходного сырья, из которого должны были получиться биомолекулы, то с этим, как теперь известно, проблем не было – все необходимые строительные соединения легко могли появиться в земном «первичном супе».