Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Хотя это и выглядело весьма многообещающе, однако два года спустя был получен еще более значительный результат. Студент Дэвид Бартел создал большое количество РНК со случайной последовательностью и проверил их на каталитическую активность. Ученый извлек РНК с этими свойствами, случайным образом изменил их последовательность и заново оценил активность. Десять раундов спустя Бартел получил рибозим, способный соединять вместе два меньших фрагмента РНК почти так же, как это делают современные белки-ферменты[271].
Однако данный рибозим не создавал собственных копий – он синтезировал какую-то другую РНК. Поэтому о саморепликации говорить было преждевременно. Годом ранее Орджел уверенно заявлял, что “это станет возможно в ближайшие десять лет”[272]. Он ошибся: хотя исследователи и приблизились к получению способной копировать себя РНК, сделать этого им пока не удалось.
Большим шагом вперед стал созданный в 2001 году Бартелом рибозим R18[273]. Он мог наращивать имеющийся фрагмент РНК, присоединяя к нему нуклеотиды в строго определенном матрицей порядке. Это уже было настоящее копирование, но опять же не без подвоха. R18 имел длину 189 нуклеотидов, но мог безошибочно присоединить к имевшейся РНК только 11 из них. Выходит, он копировал всего 6 % своей последовательности. А ведь настоящий “саморепликатор” по определению должен копировать себя на все 100 %.
Вероятно, самая успешная попытка создания саморепликатора принадлежит Филиппу Холлигеру из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания. В 2011 году его коллектив модифицировал R18 – его новую версию обозначили как tC19Z[274]. Эта РНК уже могла копировать 95 нуклеотидов своей последовательности, то есть 48 % собственной длины. Очень неплохо, но все же по-прежнему недостаточно.
В свое время Холдейн предугадал эту проблему. На конференции в Уэйкулле в 1963 году биохимик Джон Бьюкенен спросил его, может ли РНК быть скопирована без фермента белковой природы[275]. Холдейн не считал это возможным. “А я думаю, что в принципе может”, – сказал Бьюкенен, на что Холдейн ответил кратко: “Успехов. Я надеюсь, что это действительно так”.
Есть, конечно, шанс, что однажды кто-нибудь сможет создать РНК, способную копировать саму себя. Но разве все эти неудачи не заставляют нас задуматься? Если такой рибозим никак не удается получить в чистой лаборатории, в которой кто-то усиленно над этим работает, то каковы шансы его самопроизвольного образования в хаосе первозданной Земли?
Это затруднение навело многих на мысль, что с концепцией самореплицирующейся РНК что-то не так. И, как следствие, с Миром РНК в понимании Гилберта тоже.
Однако идею о самореплицирующейся РНК не обязательно отвергать полностью – ее можно просто подкорректировать. Среди популярных вариантов – мысль о том, что РНК не плавала свободно в первичном бульоне, а находилась на некоей поверхности, возможно, на поверхности минерала вроде глины. (Это не то же самое, что предполагал в своей теории Кернс-Смит из главы 5. Тот считал, что глина могла эволюционировать сама по себе, а новая гипотеза отводит ей вспомогательную роль в эволюции РНК.)
Такое новое применение глины рассматривал американский биохимик Джеймс (“Джим”) Феррис[276]. Проблемой зарождения жизни он начал заниматься с 1960-х годов, когда сотрудничал с Орджелом. К концу 1980-х ему было уже за пятьдесят, а его карьера, вне всякого сомнения, находилась в зените. Когда Мир РНК приобрел популярность, Феррис обратил внимание на один из глинистых минералов – монтмориллонит[277]. Он образуется при выветривании вулканического пепла, так что на юной, покрытой действующими вулканами Земле его было предостаточно.
У монтмориллонита есть две важные особенности. Первая заключается в том, что молекулы вроде нуклеотидов с легкостью прикрепляются к его поверхности, образуя тонкую пленку. Этот процесс называется адсорбция, и он напоминает абсорбцию – разница лишь в том, что при адсорбции нуклеотиды не попадают внутрь глины. Вторая важная особенность монтмориллонита – его каталитические свойства, то есть способность ускорять химические взаимодействия между попавшими внутрь него молекулами. Монтмориллонит содержит металлы, в том числе магний, который необходим ферментам. Большая часть этих предположений была высказана четырьмя десятилетиями ранее Берналом – в лекции 1947 года[278], однако развивать эту тематику взялся именно Феррис.
 
Начиная с 1986 года, Феррис провел целую серию экспериментов и доказал, что нуклеотиды более охотно соединяются в цепочки на поверхности монтмориллонита[279]. В 1996-м он вместе с Орджелом продемонстрировал, что находящиеся на поверхности монтмориллонита нуклеотиды способны образовывать цепочки длиной 55 оснований – при условии, что в окружающем растворе достаточно нуклеотидов[280]. Это существенно, поскольку РНК для кодирования генов или выполнения каталитической функции рибозима должна быть достаточно длинной. Монтмориллонит, безусловно, оказался полезен – однако Феррису так и не удалось заставить РНК создавать на его поверхности собственные копии.
Второй обходной путь – предположение, что исходным генетическим материалом была не РНК, а какое-то ее самокопирующееся видоизменение. Орджел занимался этой темой еще в 1970-е. В 1985 году он и Шварц получили цепочки модифицированных нуклеотидов, в которых фосфаты были удалены и замещены похожими группами[281]. Эти измененные нуклеотиды могли соединяться, если сначала выстраивались в правильном порядке на какой-то напоминающей РНК матрице[282]. Спустя два года Орджел призвал своих коллег начать активный поиск альтернативных нуклеиновых кислот. Вместе со Шварцем, Джеральдом Джойсом и Миллером он утверждал, что “есть основания сомневаться в том, что непосредственно сама РНК служила исходным генетическим материалом”[283]. Это была развернутая форма высказывания “все это так, однако…”, адресованного приобретающему популярность Миру РНК.
Следующим биохимиком-приверженцем Мира РНК стал Гюнтер фон Кедровски, который в 1980-е был учеником Орджела. Ему удалось создать потрясающие самокопирующиеся системы. Например, в 1993 году команда под руководством фон Кедровски разработала систему на основе трех модифицированных нуклеиновых кислот, которые условно обозначили A, B и C. Они были способны объединяться, образуя AB, AC, BC, BB и ABC[284]. Добавив к ним короткие фрагменты нуклеиновых кислот, исследователи увидели поразительное разнообразие химических реакций – тот самый автокаталитический набор, о котором говорил Кауфман. В нем было множество нуклеиновых кислот, каждая из которых производила какую-нибудь другую, словно в медленном танце, поставленном хореографом Басби Беркли.
Многие из использованных Орджелом и фон Кедровски молекул были похожи на соответствующие компоненты РНК и ДНК[285]. И все-таки другие ученые отважились пойти еще дальше.
В 1991 году Петер Нильсен из Университета Копенгагена создал совершенно новую, не обнаруженную в природе нуклеиновую кислоту[286]. В ней также были использованы основания (“буквы” A, T, C и G), однако образующие остов ДНК сахара и фосфаты Нильсен выбросил, заменив их амидами, напоминающими по структуре аминокислоты. Изначально Нильсен назвал свое детище “полиамидная нуклеиновая кислота”, однако позднее это соединение стало известно как “пептидо-нуклеиновая кислота”. Так или иначе, обычно используют аббревиатуру ПНК.
Невзирая на совершенно другую структуру, ПНК ведет себя довольно предсказуемо. Она тоже может образовывать двойную спираль[287]. А еще ученые смогли получить молекулы-гибриды, у которых одна цепочка представляет собой ПНК, а другая ДНК. Мало того: амиды в цепи ПНК имеют более простую структуру, чем нуклеотиды, что может означать и большую вероятность их самопроизвольного образования.