Открытие, которое может перевернуть биологию: как возникли первые белки

Вы когда-нибудь задумывались, как миллиарды лет назад, до появления сложных биологических машин, могли возникнуть первые белки — строительные блоки жизни? Ведь сегодня в наших клетках белки синтезируются с помощью рибосом и ферментов, которые связывают аминокислоты с молекулами РНК. Но как происходил этот процесс в самом начале жизни на Земле, когда таких сложных механизмов ещё не было?

РНК и аминокислоты: ключ к происхождению жизни

Современная биология объясняет синтез белков через взаимодействие РНК и аминокислот. РНК содержит инструкции для сборки белков, а аминокислоты — это строительные блоки, из которых они состоят. В клетках аминокислоты "активируются" с помощью энергии АТФ и связываются с РНК, образуя аминоацил-РНК. После этого рибосома "сшивает" аминокислоты в нужной последовательности, создавая белковую цепочку.

Однако для первых живых организмов такой сложный аппарат был недоступен. С 1970-х годов учёные пытались воспроизвести химические реакции, которые могли бы привести к появлению активированных аминоацил-РНК в условиях, похожих на первичную Землю. Но большинство таких реакций либо не происходили, либо давали нестабильные соединения, распадавшиеся в водной среде.

Новое открытие: роль пантетеина и двухцепочечной РНК

Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) под руководством химика Мэтью Паунера нашли ключ к решению этой загадки. Они использовали соединение пантетеин — вещество, богатое энергией и важное в метаболизме современных клеток, которое могло существовать в озёрах ранней Земли.

Добавив пантетеин в воду с аминокислотами, учёные получили новое соединение — аминоацилтиол, который способен реагировать с РНК, не позволяя аминокислотам связываться друг с другом. Это важный шаг, поскольку он направляет аминокислоты к взаимодействию с РНК, а не к хаотическим реакциям между собой.

Интересно, что реакция с аминоацилтиолом оказалась разной в зависимости от формы РНК. С одноцепочечной РНК аминокислоты связывались хаотично, а вот с двухцепочечной — более стабильной и похожей на ту, что используется в клетках — образовывались активированные аминоацил-РНК, напоминающие структуры, которые обычно создаются ферментами.

От аминоацил-РНК к пептидам — без ферментов и рибосом

Следующий этап эксперимента показал ещё более впечатляющие результаты. Добавление в раствор сероводорода и тиокислот — веществ, вероятно, широко распространённых на ранней Земле — привело к тому, что аминоацил-РНК начали связываться в пептиды. Это значит, что первые белки могли появиться без участия ферментов и рибосом — просто благодаря химическим реакциям в подходящих условиях.

Хотя пока что такие пептиды формируются с произвольной последовательностью аминокислот, а не в строго заданном порядке, как это происходит в живых организмах, это открытие даёт важный ключ к пониманию того, как могла начаться жизнь.

Почему это важно для науки о происхождении жизни

Это исследование помогает преодолеть разрыв между двумя основными теориями происхождения жизни. Одна из них утверждает, что ключевую роль играла РНК, способная к саморепликации, а другая — что первыми возникли самоподдерживающиеся химические сети метаболизма. Новые данные показывают, что энергетически богатые соединения, такие как пантетеин, могли связывать аминокислоты с РНК, что объединяет эти взгляды и приближает нас к разгадке тайны возникновения жизни.

По словам Томаса Карелла из Мюнхенского университета, эта работа даёт "замечательные идеи" и помогает понять "одну из главных загадок пребиотической химии". А Ник Лейн из Калифорнийского университета отмечает, что такие химические процессы выглядят как "химия жизни", хоть и отличаются от современных биологических механизмов.

Интересные факты о белках и РНК

Рибосомы — это одни из самых больших и сложных молекулярных машин в клетке, состоящие из РНК и белков.

Пантетеин входит в состав кофермента А, который играет ключевую роль в метаболизме.

Аминоацил-РНК — важный промежуточный продукт в синтезе белков, который связывает аминокислоты с молекулой РНК.

Двухцепочечная РНК встречается не только в лабораторных условиях, но и в ряде вирусов и клеточных процессов.