Seit vielen Jahrzehnten arbeiten Biologen, Chemiker und sogar Mathematiker an dem Problem der Entstehung des Lebens. Und obwohl es bereits vor dem Auftreten der ersten Zelle wissenschaftlich fundierte und gestützte Hypothesen der chemischen Evolution gibt, wird die Arbeit in dieser Richtung fortgesetzt. "Lenta.ru" spricht über eine neue Studie zum Problem der RNA-Welt, deren Ergebnisse in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurden.
Wissenschaftler der Portland State University, die Experimente mit Ribozymen durchführten, fanden heraus, dass die Fähigkeit dieser Moleküle, ihre eigene Anordnung zu katalysieren, von ihrer Wechselwirkung mit anderen ähnlichen Molekülen abhängt. Die Studie stützt indirekt die Hypothese der RNA-Welt, wonach das erste organische Molekül, das die Grundlage für die ersten Zellen bildete, RNA war. Diese RNA-Moleküle waren in der Lage, sich selbst zu synthetisieren, miteinander zu konkurrieren und an der präbiotischen Evolution teilzunehmen, als die erfolgreichsten Verbindungen die Grundlage für komplexere chemische Komplexe wurden.
Viele Menschen wissen, dass lebende Zellen ihre eigenen speziellen Katalysatoren haben: Enzyme, komplex gefaltete Proteinmoleküle, die lebenswichtige Reaktionen ausführen. Enzyme können jedoch nicht nur Proteine, sondern auch RNA-Ketten sein. Denken Sie daran, dass RNA eine der DNA sehr ähnliche Nukleinsäure ist, sich jedoch darin unterscheidet, dass sie Ribosezucker (nicht Desoxyribose) enthält und eine der stickstoffhaltigen Basen, Thymin, durch Uracil ersetzt wird. Laut Wissenschaftlern erschien RNA vor der DNA, weil sie viel labiler ist (ihre Struktur ist anfälliger für Veränderungen) und katalytische Reaktionen ohne die Hilfe von Proteinen durchführen kann. RNA-Moleküle, die Enzyme sind, werden Ribozyme genannt. Typischerweise katalysieren Ribozyme die Spaltung von sich selbst oder anderen RNA-Molekülen.
Eines der am besten untersuchten Ribozyme ist Azo, ein Enzym, das von Wissenschaftlern aus selbstschneidenden Introns der Gruppe I hergestellt wurde, die in der DNA des Bakteriums Azoarcus gefunden wurden. Introns sind Regionen von Genen, die keine Informationen über die Sequenz eines Proteins oder einer Nukleinsäure enthalten und während der Reifung der Messenger-RNA (mRNA) ausgeschnitten werden. Alle Introns der Gruppe I katalysieren ihre eigene Exzision aus der RNA-Sequenz. Das für Wissenschaftler interessante Intron-Ribozym Azo befindet sich in einem Gen, das eine Transport-RNA (tRNA) codiert, die die Aminosäure Isoleucin trägt. Innerhalb der Zelle führt Azo wie andere Ribozyme eine eigene Exzision aus tRNA durch, aber unter Laborbedingungen konnte er lernen, Reverse Splicing durchzuführen: Das Ribozym schneidet an einer bestimmten Stelle das Substrat - ein kurzes RNA-Molekül mit einer bestimmten Nukleotidsequenz,Stücke davon bleiben an Azo gebunden.
Die Struktur des Ribozyms des Bakteriums Azoarcus. Fragment IGS ist rot markiert
Bild: Jessica AM Yeates et al. Institut für Chemie, Portland State University
Azo ist ungefähr 200 Nukleotide lang und kann in zwei, drei oder vier Fragmente zerfallen, die bei 42 Grad Celsius in Gegenwart einer MgCl 2 -Lösung spontan zusammenkommen. Der Selbstorganisationsprozess beginnt mit der Wechselwirkung zwischen zwei Nukleotidtripletts (Tripletts), die zu verschiedenen RNA-Fragmenten gehören. Wenn nach dem Prinzip der Komplementarität Wasserstoffbrücken zwischen den Tripletts gebildet werden, ändern die Teile des Ribozyms ihre räumliche Struktur und vereinigen sich wieder miteinander. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf die Selbstorganisationsreaktion zweier Fragmente, die vorläufig als WXY und Z bezeichnet wurden, wobei W, X, Y und Z getrennte Regionen des Ribozyms darstellen, die ungefähr 50 Nukleotide lang sind (Abb. 1). An Stelle W, am vorderen Ende des RNA-Moleküls, befindet sich eines der Tripletts,Dies ist an der Initiierung der Selbstorganisation beteiligt und wird als "interne Führungssequenz" (IGS) bezeichnet. Am Ende von WXY befindet sich ein Tag-Triplett, das in Wechselwirkung mit IGS eine starke kovalente Bindung mit dem Z-Fragment eingeht.
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Die Forscher erstellten verschiedene Varianten (Genotypen) von WXY-Fragmenten, indem sie die in der Mitte des IGS befindlichen Nukleotide und die Tag-Tripletts (Nukleotide M bzw. N) veränderten. Da RNA-Moleküle normalerweise nur von vier Arten von Nukleotiden gebildet werden, gibt es 16 solcher Varianten. Beispielsweise kann einer der Genotypen 5'-GGG-WXY-CAU-3 'und der andere 5'-GCG-WXY-CUU-3' sein. Alle diese Varianten von Molekülen können miteinander konkurrieren und verschiedene metabolische Netzwerke bilden, in denen eine gemeinsame Ressource - das Z-Molekül - erforderlich ist, um ein ganzes Ribozym wiederherzustellen.
Die Reaktion zwischen verschiedenen Fragmenten des Azo-Ribozyms unter Bildung eines ganzen Moleküls
Bild: Jessica AM Yeates et al. Institut für Chemie, Portland State University.
In ihren Experimenten testeten die Wissenschaftler zunächst die Fähigkeit jedes Genotyps, sich separat selbst zu organisieren. Wenn M und N Watson-Crick-Paare bilden (dh nach dem Prinzip der Komplementarität A - U, C - G), wird die Ribozym-Selbstorganisationsrate höher als bei anderen Paartypen. Die Forscher simulierten dann eine warme "kleine Teich" -Umgebung, in der verschiedene präbiotische Moleküle miteinander interagieren, um voneinander zu profitieren und die Selbstorganisation zu beschleunigen. Biochemiker verfolgten das Verhalten von miteinander gepaarten Genotypen. Insgesamt untersuchten die Wissenschaftler 120 Paare, die aus zwei unterschiedlichen WXY-Varianten bestanden. Sie maßen die Geschwindigkeit jeder Reaktion, die 30 Minuten lang zwischen Molekülen der beiden WXY-Genotypen und Z-Fragmenten in getrennten Röhrchen stattfand.
Wechselwirkung zwischen Sequenzen verschiedener Ribozymfragmente unter Verwendung von Wasserstoffbrücken
Bild: Jessica AM Yeates et al. Institut für Chemie, Portland State University
Durch die Kombination der Ergebnisse beider Phasen des Experiments und die Ermittlung der Selbstorganisationsraten bei der Interaktion zweier verschiedener Genotypen haben die Forscher ein evolutionäres Experiment durchgeführt. Paare von Genotypen wurden in gleichen Anteilen gemischt, mit Z-Fragmenten versehen und fünf Minuten miteinander umgesetzt. Während dieser Zeit nahmen die Wissenschaftler 10 Prozent der Lösung in ein neues Reagenzglas auf, das mehr nicht umgesetztes WXY von jedem Genotyp und Z-Fragmenten enthielt. Wissenschaftler verfolgten die Verhältnisse jedes WXYZ-Genotyps während acht solcher Transfers. Dies ermöglichte es, das chemische Äquivalent des Evolutionserfolgs von Ribozymen über Generationen abzuschätzen, das als "Explosion" beobachtet wurde - das heißt, ein starker Anstieg der Selbstorganisationsrate von RNA. In einem Evolutionsexperiment untersuchten Biologen die Wechselwirkung von sieben Ribozymenpaaren.
Basierend auf allen Laborexperimenten haben Wissenschaftler ein mathematisches Modell von Differentialgleichungen abgeleitet, das die Selbstorganisationsrate von Genotypen mit oder ohne Vorhandensein anderer Genotypen berücksichtigt. Dieses Modell wurde zur Grundlage für eine neue evolutionäre Spieltheorie, die verschiedene Verhaltensweisen von RNA-Molekülen definiert. In einem Fall, der als "Dominanz" bezeichnet wird, ist einer der Genotypen immer häufiger als der andere, während seine Selbstorganisationsrate immer die Geschwindigkeit des Konkurrenten übersteigt. Im anderen Fall - "Kooperation" - profitieren beide Genotypen, die miteinander interagieren, von "Kooperation", und die Geschwindigkeit ihrer Selbstorganisation übersteigt die Geschwindigkeit, die sie getrennt voneinander hätten. Das „egoistische Szenario“- das genaue Gegenteil von „Kooperation“- bedeutet, dass jedes Ribozym einzeln mehr erhält als bei der Interaktion mit jemand anderem. Und endlich,In "Counter-Dominance" tritt der Genotyp mit einer geringen Selbstorganisationsrate plötzlich häufiger auf als sein Konkurrent.
Diese Studie zielt nicht darauf ab, die Hypothese der RNA-Welt direkt zu beweisen, sondern ist ein weiteres Teil des Puzzles des wissenschaftlichen Verständnisses der präbiotischen Evolution. Es wurde erstmals gezeigt, dass die enzymatischen Eigenschaften einzelner Moleküle in Gegenwart anderer Moleküle verbessert werden können, die sich nur durch ein oder zwei Nukleotide unterscheiden. In der gigantischen Lösung, die zu Beginn des Lebens die Ozeane der Erde waren, konkurrierten diese Moleküle miteinander um Substrate, kooperierten und verstärkten ihre Wirkung. Auf dieser Grundlage kann bereits angenommen werden, warum sich komplexe organische Verbindungen zu Systemen vereinigen wollten, die Prototypen der ersten Zellen sind.
Alexander Enikeev
