Учёные обнаружили молекулу РНК всего из 45 звеньев, которая способна помогать созданию собственных копий. Раньше для похожих задач требовались гораздо более крупные и сложные молекулы. Находка укрепляет гипотезу о том, что жизнь на Земле могла начаться с коротких цепочек РНК, которые научились размножаться задолго до появления первых клеток.
Молекула получила название QT45. Исследователи показали, что она может собирать новую цепочку РНК по готовому образцу, соединяя небольшие фрагменты в нужном порядке. Причём QT45 способна воспроизвести как собственную последовательность, так и её зеркальную по принципу соответствия копию, которую называют комплементарной цепью. Обе реакции необходимы для размножения РНК. Подробности учёные раскрыли в научной работе, посвящённой поиску простейших самокопирующихся молекул.
Почему 45 звеньев имеют такое значение? Долгое время учёные сталкивались с противоречием. Молекулы РНК, способные помогать созданию других цепочек, обычно состояли из 150–300 нуклеотидов, а некоторые содержали ещё больше. Нуклеотиды можно представить как отдельные детали, из которых собирается длинная молекулярная цепь. Чем больше деталей, тем сложнее получить всю конструкцию случайным образом. Между тем в экспериментах, имитирующих условия молодой Земли, без участия биологических ферментов пока удавалось получать преимущественно цепочки длиной около 10–15 звеньев. Разрыв между простейшей химией и молекулами, способными размножаться, оставался огромным.
QT45 заметно сокращает расстояние между двумя крайностями. Чтобы найти настолько маленькую работающую молекулу, исследователи изучили около десяти триллионов различных последовательностей РНК. Среди них обнаружились три короткие цепочки, способные ускорять сборку новых молекул. Затем учёные несколько раз отбирали наиболее эффективные варианты и изменяли их последовательности. Так появилась QT45, которая сохранила нужные свойства даже после сокращения до 45 нуклеотидов.
Секрет необычных способностей РНК кроется в её строении. Современные клетки используют ДНК для хранения наследственной информации, а большинство химических реакций обеспечивают белки. Для создания белков нужны генетические инструкции, но для копирования и использования самих инструкций тоже требуются белки. Получается замкнутый круг. РНК предлагает возможный выход: некоторые её молекулы могут хранить информацию и одновременно ускорять химические реакции. Учёные называют их рибозимами.
На таком механизме основана гипотеза РНК-мира. Согласно одной из версий происхождения жизни, миллиарды лет назад на Земле могли появиться цепочки РНК, которые случайно приобрели способность помогать собственному воспроизведению. При копировании возникали ошибки, меняющие последовательность звеньев. Если отдельные изменения ускоряли размножение, новые варианты постепенно получали преимущество. Так мог запуститься естественный отбор ещё до появления привычных живых организмов.
Проверка QT45 принесла обнадёживающие, хотя и довольно скромные результаты. Исследователи поместили молекулы в специально подготовленную смесь при температуре −7 °C. В замороженной среде вещества концентрировались в небольших жидких участках между кристаллами льда, что помогало химическим реакциям. Вместо отдельных нуклеотидов учёные использовали готовые блоки по три звена. QT45 соединяла их, постепенно выстраивая новую цепочку по образцу.
Для получения полноразмерных продуктов потребовалось 72 дня. За такой срок выход комплементарных цепочек достиг 0,24%, а собственных копий QT45 составил 0,17%. При копировании комплементарной цепи точность достигала 94,1% на каждый нуклеотид. Однако полностью правильную последовательность получили лишь у 10,9% готовых цепочек. Для устойчивого размножения молекуле пока не хватает скорости и точности.
Есть и более серьёзное ограничение. Исследователи смогли отдельно показать обе реакции, необходимые для воспроизведения QT45, но полноценный непрерывный цикл размножения ещё не заработал. Молекулы должны самостоятельно создавать новые копии, которые затем продолжают процесс без постоянной помощи учёных. Кроме того, две комплементарные цепочки РНК легко соединяются друг с другом и образуют устойчивую двойную структуру. После такого соединения молекулам становится трудно участвовать в дальнейших реакциях.
Неизвестно и то, могла ли QT45 или похожая молекула самостоятельно возникнуть в природе. Однако небольшой размер повышает правдоподобность такого сценария. Учёные также изучают, как на древней Земле могли работать естественные циклы замерзания и оттаивания воды. Чередование температур и изменение кислотности среды способны создавать условия для копирования РНК. Поэтому одним из возможных мест появления первых самовоспроизводящихся молекул считают холодные водоёмы молодой планеты.
Даже если учёным удастся запустить устойчивое размножение РНК, загадка происхождения жизни останется нерешённой. Первым живым системам требовалось не просто копировать наследственную информацию, но и получать энергию из окружающей среды, чтобы поддерживать химические реакции. Пока никто не знает, возникли ли механизмы обмена веществ до появления самокопирующихся молекул или развивались вместе с ними. QT45 не доказывает, что жизнь началась именно с РНК, зато показывает, насколько небольшой могла быть молекулярная основа первых шагов к её появлению.