«Нас интересует, как перейти от мира, в котором нет жизни, к миру, в котором есть жизнь», – сказал Филип С. Бевилаква, заслуженный профессор химии, биохимии и молекулярной биологии Пенсильванского университета и один из ведущих авторов статьи. "Можно представить множество шагов в этом процессе, но мы не рассматриваем самые элементарные шаги. Мы заинтересованы в более позднем этапе, чтобы увидеть, как молекулы РНК могут образовываться из своих основных строительных блоков и могут ли эти молекулы РНК управлять реакциями, необходимыми для жизни в отсутствие белков."
Сегодняшняя жизнь обычно требует генетического материала – ДНК, которая сначала транскрибируется в РНК. Эти две молекулы несут информацию для производства белков, которые, в свою очередь, необходимы для большинства функциональных аспектов жизни, включая производство нового генетического материала.
Это ставит дилемму "курица и яйцо" в отношении происхождения жизни на ранней Земле. ДНК необходима для производства белков, но белки необходимы для производства ДНК.
«РНК – или что-то подобное – считается ключом к решению этой дилеммы», – сказал Рагхав Р. Поудьял, научный сотрудник Simons Origins of Life в Пенсильванском университете и первый автор статьи. "Молекулы РНК несут генетическую информацию, но они также могут функционировать как ферменты, катализируя химические реакции, необходимые для ранней жизни. Этот факт привел к мысли, что жизнь на Земле прошла стадию, когда РНК играла активную роль в облегчении химических реакций – «мир РНК» – где самовоспроизводящиеся молекулы РНК несли генетическую информацию и выполняли функции, которые теперь в основном осуществляется белками."
Другой общей чертой жизни на Земле является то, что она разделена на клетки, часто с внешней мембраной, или на более мелкие отделения внутри клеток.
Эти компартменты гарантируют, что все компоненты химических реакций жизни находятся в пределах легкой досягаемости, но в пребиотическом мире строительные блоки для РНК – или ферментов РНК, необходимых для запуска химических реакций, которые могут привести к жизни, – вероятно, имели бы было мало, плавая в исконном супе.
«Вы можете думать об этих ферментах РНК, как об автомобиле, производимом на конвейере», – сказал Поудьял. "Если у вас нет деталей в нужном месте на заводе, сборочная линия не будет работать. Без коацерватов части, необходимые для химических реакций, слишком разбавлены и вряд ли найдут друг друга, но внутри коацерватов все части, необходимые ферменту для работы, находятся поблизости."
Поэтому исследователи рассмотрели различные материалы, которые могли существовать на дожившей Земле, которые могут образовывать коацерваты – безмембранные протоклетки, – а затем позволили выполнять важные функции, такие как изоляция строительных блоков РНК и объединение ферментов РНК и их мишеней.
«Ранее было известно, что молекулы РНК могут собираться и удлиняться в растворах с высокой концентрацией магния», – сказал Поудьял. «Наша работа показывает, что коацерваты, сделанные из определенных материалов, позволяют этой неферментативной матричной сборке РНК происходить даже в отсутствие магния."
Коацерваты состоят из положительно заряженных молекул, называемых полиаминами, и отрицательно заряженных полимеров, которые группируются вместе, образуя безмембранные компартменты в растворе.
Отрицательно заряженные молекулы РНК также притягиваются к полиаминам в коацерватах. Внутри коацерватов молекулы РНК в 4000 раз более концентрированы, чем в окружающем растворе.
Концентрируя молекулы РНК в коацерватах, ферменты РНК с большей вероятностью найдут свои цели для запуска химических реакций.
«Хотя все полиамины, которые мы тестировали, были способны участвовать в образовании капель, богатых РНК, они различались по своей способности поддерживать удлинение РНК», – сказала Кристин Китинг, профессор химии в Пенсильванском университете и старший автор статьи. "Эти наблюдения помогают нам понять, как химическая среда в различных безмембранных компартментах может влиять на реакции РНК."
«Хотя мы не можем оглянуться назад, чтобы увидеть точные шаги, предпринятые для формирования первой жизни на Земле, коацерваты, подобные тем, которые мы можем создать в лаборатории, возможно, помогли, облегчив химические реакции, которые в противном случае были бы невозможны», – сказал Поудьял.
Помимо Бевилаквы, Поудьяла и Китинга, в исследовательскую группу Penn State входят Ребекка М. Гут-Метцлер, Эндрю Дж. Винис и Эрика А. Франкель.
Исследование было поддержано Фондом Саймонса и НАСА.