Что было до самой первой клетки? Найдена «молекула-детонатор», которая запустила цепную реакцию жизни в ледяной воде

Ученые много лет пытаются понять, как на Земле появилась первая живая клетка. Речь идет о самом раннем этапе, когда существовали только простые химические вещества, еще не образующие никаких организмов. Из этого набора соединений со временем возникла система, способная к обмену веществ и размножению. Где именно это произошло, остается предметом споров. Одни исследователи рассматривают холодные области с льдом, другие обращают внимание на гейзеры на океанском дне. В одном мнения совпадают: сначала должна была появиться молекула, умеющая делать собственные копии без сложных белковых ферментов.

Одна из самых обсуждаемых идей называется гипотезой мира РНК. Она предполагает, что до ДНК и белков главную роль играла рибонуклеиновая кислота. Такие молекулы могли не только хранить генетическую информацию, но и ускорять химические реакции. Называют их рибозимами. От них ожидают способности достраивать новые РНК-цепочки из отдельных нуклеотидов. Только вот есть одна проблема: те рибозимы, которые сегодня умеют копировать другие РНК, устроены сложно и имеют большую длину. Случайное появление таких структур в ранней химической среде выглядит маловероятным.

И вот недавно команда Филиппа Холлигера из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Великобритании предложила более простой вариант. В своей работе они описали короткую РНК под названием QT45, которую получили в ходе перебора огромного набора случайных последовательностей. Ученые собрали библиотеку примерно из 12 триллионов вариантов и проверяли, какие из них способны работать как полимераза. Так называют молекулярный механизм, который шаг за шагом наращивает цепь, присоединяя новые нуклеотиды.

После первичного отбора подходящие образцы отправили на серию жестких тестов. Условия постепенно усложняли, а требуемая длина синтезируемых участков росла. Последовательности, которые не справлялись, отсевались. В итоге лучше всех показал себя вариант QT45.

Работу этой РНК дополнительно проверили в охлажденной солевой смеси со льдом и жидкой фазой. Такая среда считается правдоподобным вариантом для древней Земли, где растворенные вещества могли накапливаться в промежутках между кристаллами. В эксперименте цепочка длиной всего 45 нуклеотидов повела себя как полимераза. Она собрала комплементарную нить, то есть выстроила последовательность по правилам спаривания оснований. Затем полученная нить послужила шаблоном для следующей копии. Процесс прошел без участия белков, только за счет самой РНК.

Авторы обращают внимание на еще один важный момент. Найденная молекула не просто проявила отдельную каталитическую активность, а прошла полный цикл копирования в экспериментальной среде со льдом и солью. Сначала она собрала комплементарную цепочку, затем использовала ее как матрицу и создала новую копию. Речь идет именно о последовательной двухшаговой схеме, а не об одном частичном действии. Для моделей происхождения жизни это принципиально, потому что без такого цикла самоподдерживающееся размножение невозможно.

Отсюда следует более точный вывод. Полимеразная активность у коротких РНК может возникать в большем числе последовательностей, чем показывали прежние лабораторные конструкции. Значит, на ранней Земле существовал не один редкий «удачный» вариант, а целый набор потенциально рабочих форм. Это повышает вероятность того, что химическая эволюция смогла дойти до устойчивого самокопирования без участия сложных молекулярных систем.