Тайна появления жизни на Земле. Часть третья: в поисках первого репликатора

Из чего явствует, после 1960-х годов ученые, пытающиеся осмыслить происхождение жизни, разделились на три группы. Есть такие из них были убеждены в томик, что жизнь началась с формирования примитивных версий биологических клеток. Некоторые считали, что ключевым первым шажком была метаболическая система, а третьи сосредоточились получай важности генетики и репликации. Эта последняя блок начала выяснять, как мог бы облюбовать первый репликатор, подразумевая, что спирт был сделан из РНК.

Пакет первая: как сделать клетку?

Пакет вторая: раскол в рядах ученых

Уж в 1960-е годы ученые имели основные положения полагать, что РНК была источником всей жизни.

В частности, РНК может созидать кое-что, чего не может ДНК. Сие одноцепочечная молекула, поэтому, в отличие ото жесткой, двухцепочечной ДНК, она может суммировать себя в целый ряд различных форм.

Похожая сверху оригами, складывающаяся РНК в целом напоминала вдоль поведению белки. Белки тоже в основном представляют длинные узы — только из аминокислот, а не нуклеотидов — и сие позволяет им создавать сложные структуры.

Сие ключ к самой удивительной способности белков. Отдельные люди из них могут ускорять, неужто «катализировать», химические реакции. Такие белки известны ни дать ни взять ферменты.

Множество ферментов можно отыскать у вас в кишках, где они разбивают сложные молекулы с пищи на простые типа сахаров, которые могут проэксплуатировать ваши клетки. Без ферментов не было бы невозможно.

Лесли Оргел и Фрэнсис Вой начали кое-что подозревать. Благо РНК может складываться как гистон, возможно, она может и образовывать ферменты? (не то бы это было правдой, в таком случае РНК могла бы быть оригинальной — и универсальной — активный молекулой, хранящей информацию, как сие делает сейчас ДНК, и катализирующей реакции, т. е. это делают некоторые белки.

Сие была прекрасная идея, но после десять лет она не получила никаких доказательств.

Томас Чех, 2007 годочек

Томас Чех родился и вырос в штате Айова. До сей поры ребенком он был очарован горными породами и минералами. И поуже в младших классах средней школы дьявол заглядывал в местный университет и стучался в двери геологов с просьбой читать. Ant. утаить модели минеральных структур.

Однако, в конце концов, возлюбленный стал биохимиком и сосредоточился на РНК.

В начале 1980-х годов Чех и его коллеги за Университету Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный протозоа Tetrahymena thermophila. Часть ее клеточного механизма охватывает цепи РНК. Чех обнаружил, почему отдельный сегмент РНК каким-так образом оказался отделен от остальных, можно подумать его вырезали ножницами.

Когда ученые убрали хана ферменты и другие молекулы, которые могли выпяливаться молекулярными ножницами, РНК продолжала выделываться. Таково они нашли первый фермент РНК: лаконичный участок РНК, который способен рвать себя из длинной цепи, не полностью которой является.

Результаты работы Чех опубликовал в 1982 году. В следующем году другая (товарищей) ученых обнаружила второй фермент РНК, «рибозим» (снижение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим», дьявол же фермент). Обнаружение двух ферментов РНК одного вслед за другим указывало на то, а их должно быть много превыше. И так идея начала жизни с РНК введение выглядеть солидно.

Однако имя этой идее дал Уолтер Гилберт с Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. (как) будто физик, восхищающийся молекулярной биологией, Гилберт и стал одним из первых сторонников секвенирования генома человека.

В 1986 году Гилберт написал в Nature, аюшки? жизнь началась в «мире РНК».

Первая ингрессия эволюции, утверждал Гилберт, состояла изо «молекул РНК, выполняющих каталитическую операция, необходимую для сборки самих себя в бульончик нуклеотидов». Копируя и вставляя различные биты РНК хором, молекулы РНК могли создавать вторично более полезные последовательности. Наконец, они нашли ухватка создавать белки и белковые ферменты, которые оказались до (того полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали основание жизни, которую мы имеем.

«Мир РНК» — это изысканный способ собрать сложную жизнь с нуля. На смену того, чтобы полагаться на одновременное цивилизация десятков биологических молекул из первичного бульона, «одна после всех» молекула могла сделать всю работу.

В 2000 году пангенезис «мира РНК» получила колоссальную порцию подтверждающих доказательств.

Рибосома делает белки

Томас Стейц провели 30 полет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 1990-е годы дьявол посвятил себя самой серьезной задаче: спрятать структуру рибосомы.

Рибосома есть в каждой инициативный клетке. Эта огромная молекула считывает инструкции в РНК и выстраивает аминокислоты, с целью сделать белки. Рибосомы в ваших клетках построили большую деление вашего тела.

Было известно, кое-что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году майна Стейца произвела подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, кое-что РНК была каталитическим ядром рибосомы.

Сие было важно, так как рибосома добротно важна для жизни и при этом ахти древняя. Тот факт, что сия важнейшая машина была построена в РНК, сделал гипотезу «мира РНК» паки (и паки) более правдоподобной.

Сторонники «мира РНК» восторжествовали, а в 2009 году Стейц получил долю Нобелевской премии. Хотя с тех пор ученые начали затрудняться. С самого начала у идеи «мира РНК» было двум проблемы. Могла ли РНК фактически выполнять все функции жизни самочки по себе? Могла ли возлюбленная образоваться на ранней Земле?

Как рукой сняло 30 лет с тех пор, точь в точь Гилберт заложил фундамент для «мира РНК», и автор этих строк до сих пор не нашли твердых доказательств, зачем РНК может выполнять все, словно от нее требует теория. Сие маленькая умелая молекула, но симпатия может не уметь всего.

Логично было одно. Если жизнь началась с молекулы РНК, РНК должна была вестись способна делать копии себя: возлюбленная должна была быть самовоспроизводящейся, самореплицирующейся.

Хотя ни одна из известных РНК невыгодный может самовоспроизводиться. Как и ДНК. Им нужен войско ферментов и других молекул, чтобы подать повод копию или кусочек РНК или — или ДНК.

Поэтому в конце 1980-х годов немножечко ученых начали весьма донкихотские поиски. Они задумали учредить самовоспроизводящуюся РНК самостоятельно.

Джек Шостак

Гусь лапчатый Шостак из Гарвардской школы медицины был одним изо первых, кто принял в этом внимательность. В детстве он был так очарован химией, яко завел лабораторию в подвале своего на хазе. Пренебрегая собственной безопасностью, однажды симпатия даже устроил взрыв, после которого в потолке застряла стеклянная трубка.

В начале 1980-х годов Шостак помог передать, как гены защищают себя с процесса старения. Это довольно раннее зондирование в конечном итоге принесло ему доза Нобелевской премии. Однако очень во всю мочь он восхитился ферментами РНК Чеха. «Я думал, словно эта работа бесподобна», говорит спирт. «В принципе, вполне возможно, чисто РНК катализирует собственное воспроизводство».

В 1988 году Чех обнаружил каталаза РНК, который может строить короткую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов. Шостак решил повысить качество открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его приказ(ание) создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли по меньшей мере одна из них каталитическими способностями. Поэтому они брали эти последовательности, переделывали и еще проверяли.

Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел энзим РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов однова. Он показал, что ферменты РНК могут красоваться по-настоящему мощными. Но их (био)катализатор не мог копировать себя, пусть даже чуточку. Шостак оказался в тупике.

Видно, жизнь началась не с РНК

Нижеупомянутый крупный шаг осуществил в 2001 году дневавший и ночевавший студент Шостака Дэвид Бартель с Массачусетского технологического института в Кембридже. Бартель нашел РНК-фермент R18, который был в силах добавлять новые нуклеотиды в цепь РНК получай основе существующего шаблона. Другими словами, возлюбленный добавлял не случайные нуклеотиды: дьявол правильно копировал последовательность.

Пока сие был еще не саморепликатор, да уже что-то похожее. R18 состоял с цепи 189 нуклеотидов и мог стойко добавлять 11 нуклеотидов в цепочку: 6% с собственной длины. Была надежда, отчего несколько настроек позволят ему сотворить цепь длиной в 189 нуклеотидов — как бы и он сам.

Лучшее, что посчастливилось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году изо Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его бригада создала модифицированный R18 под названием tC19Z, тот или иной копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. Сие 48% от его собственной длины: боле, чем у R18, но далеко невыгодный 100%.

Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольном с Института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. В 2009 году они создали комплемент РНК, который размножается косвенно. Их (био)катализатор объединяет два коротких кусочка РНК в целях создания второго фермента. Затем объединяет отдельные люди два кусочка РНК, чтобы передать исходный фермент.

При наличии сырья сей простой цикл можно продолжать по бесконечности. Но ферменты работали в какие-нибудь полгода тогда, когда им давали правильные цепочки РНК, которые приходилось оказывать Джойсу и Линкольну.

Для многих ученых, которые подозрительно относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, числом всей видимости, просто не может одолжить и начать жизнь.

Также проблему усугубила провалился химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая микрочастица по сравнению с ДНК, но изготовить ее чрезвычайно трудно.

Проблема лежит в сахаре и основании, которые составляют сколько) (на брата нуклеотид. Можно сделать каждый с них по отдельности, но они настырно отказываются связываться. К началу 1990-х годов сия проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, как гипотеза «мира РНК», несмотря возьми всю привлекательность, может быть безграмотный совсем верной.

Вместо этого, правдоподобно, на ранней Земле был экой-то другой тип молекулы: зачем-то проще, чем РНК, которая нате самом деле могла собрать себя с первичного бульона и начать самовоспроизводиться. Первое дело могла быть эта молекула, которая кроме привела к РНК, ДНК и остальным.

ДНК вряд ли ли могла образоваться на ранней Земле

В 1991 году Петроград Нильсен из Университета Копенгагена в Дании придумали кандидата в первичные репликаторы.

Сие была по существу сильно модифицированная трансформация ДНК. Нильсен сохранил те но основы — A, T, C и G, имеющиеся в ДНК, — да сделал основную цепь из молекул подо названием полиамиды, а не из сахаров, которые и имеются в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, то есть (т. е.) ПНК. Непонятным образом с тех пор симпатия стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.

ПНК что-то не делать (век не встречали в природе. Но ведет симпатия себя практически как ДНК. Цепочка ПНК ажно может занимать место одной изо цепей молекулы ДНК, и основания спариваются подобно ((тому) как) обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спиралька, как ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. По-настоящему скептически относясь к РНК-миру, некто подозревал, что ПНК была значительно более вероятным кандидатом на инициатор генетический материал.

В 2000 году спирт произвел несколько уверенных доказательств. К тому времени ему сделано стукнуло 70 и он пережил (хоть) немного инсультов, которые могли отправить его в усадьба престарелых, но не сдался. Симпатия повторил свой классический эксперимент, какой-либо мы обсуждали в первой главе, в текущий раз используя метан, азот, аммиак и воду — и получил полиамидную основу ПНК.

Сие позволило предположить, что ПНК, в разнообразие от РНК, вполне могла образоваться получи и распишись ранней Земле.

Молекула треозо-нуклеиновой кислоты

Прочие химики придумали собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.

В 2000 году Белый Эшенмозер сделал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК). Сие та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Железы ТНК могут образовывать двойную спиралька, а информация копируется в обоих направлениях посередке РНК и ТНК.

Более того, ТНК может выкристаллизовываться в сложные формы и даже связываться с белком. Сие намекает на то, что ТНК может быть действительным как фермент, подобно РНК.

В 2005 году Благородный предводитель Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту, которая может развивать спиральные структуры.

У каждой из сих альтернативных нуклеиновых кислот есть близкие сторонники. Но никаких следов их в природе никак не найти, поэтому если первая дни действительно использовала их, в какой-ведь момент она должна была совершенно отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Сие может быть правдой, но никаких доказательств пропал.

В итоге к середине 2000-х годов сторонники решетка РНК оказались в затруднительном положении.

С одной стороны, РНК-ферменты существовали и включали одну с важнейших частей биологической инженерии, рибосому. Четыре.

Но самовоспроизводящуюся РНК найти без- удалось и никто не мог впереть, как РНК сформировалась в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы разрешить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, почто они существовали в природе. Не безмерно хорошо.

Очевидный вывод был таким: «мир РНК», вопреки на свою привлекательность, оказался мифом.

В среде тем с 1980-х годов постепенно набирала обороты другая толкование. Ее сторонники утверждают, что бытье началась не с РНК, ДНК то есть (т. е.) другого генетического вещества. Вместо сего она началась с механизма использования энергии.

Жизни нужна смелость, чтобы оставаться живой

Продолжение — хорош.

Источник