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

Стэнли Миллер был в восторге. В 1997 году он писал, что открытие ПНК оказалось “настоящей неожиданностью” и что эта молекула “выглядит многообещающе” на фоне “вызывающей сомнения” в качестве первичной биомолекулы РНК[288]. Спустя три года в одной из последних своих статей он описал результаты новой версии своего старого эксперимента. Ему удалось получить те самые амиды, которые служат остовом ПНК. Он полагал, что ПНК могла образоваться на юной Земле сама по себе. Однако его эксперимент был проведен в условиях восстановительной, богатой метаном атмосфере. Как мы видели в главе 6, видимо, у Земли такой атмосферы никогда не было[289].
ПНК – не единственная искусственно созданная в качестве альтернативы РНК нуклеиновая кислота. Другой примечательный пример – треозонуклеиновая кислота (ТНК), которая впервые была получена в лаборатории швейцарского биохимика Альберта Эшенмозера в 2000 году[290]. По сравнению с ПНК, ТНК – случай не настолько радикальный. Вместо того чтобы выкинуть и сахар рибозу, и фосфат (как в случае ТНК), ученые ограничились заменой рибозы на другой сахар – треозу. Подобно ПНК, ТНК тоже способна образовывать двойную спираль. Способна она и связываться с РНК. Еще более удивительно то, что ТНК может образовывать сложные трехмерные структуры[291]. Есть вероятность, что среди них есть и имеющие каталитические функции, как и в случае РНК[292].
Благодаря этим открытиям на рубеже тысячелетий стала набирать обороты теория, что РНК предшествовал какой-то другой полимер. Однако против этого и было, и есть множество возражений. Первый аргумент очень прост: ни одна из этих альтернативных молекул так и не была обнаружена в живых организмах. Хотя это и может означать, что на ранних этапах развития жизни они были полностью вытеснены РНК и ДНК, все же не исключено, что “альтернативные молекулы” никогда не принимали участия в процессе. Вдобавок хотя такие нуклеиновые кислоты и кажутся устроенными проще, это не обязательно означает, что они образуются с большей вероятностью.
Короче говоря, несмотря на разнообразные сложности, многие исследователи продолжали придерживаться концепции Мира РНК. Ну, а в 2000 году она была одарена одним из самых значимых доказательств за всю свою историю.
Новое открытие касалось рибосом, огромных молекулярных машин. Их задачей является сборка белков в соответствии с инструкцией матричной РНК. Без рибосом не обходится ни один современный организм; были они и у последнего универсального общего предка LUCA. Ученые уже несколько десятилетий знали, что рибосомы состоят из перемешанных между собой белков и РНК и имеют в своей структуре две отличающиеся по размеру субъединицы. И вот в 2000 году исследователям удалось получить структуру рибосом с точностью до отдельных атомов.
Это открытие стало кульминацией двадцатилетних усилий. Все началось в 1980 году, когда Ада Йонат из Института Вейсмана в Израиле первой получила кристалл из фрагмента рибосомы[293]. Это позволило исследовать ее структуру с помощью рентгеновской кристаллографии – того самого метода, благодаря которому Розалинд Франклин изучала ДНК. В 1984 году Йонат уже держала в руках первые рентгеновские снимки[294].
На протяжении следующих пятнадцати лет исследователи, среди которых были Томас Стейтс и Венкатраман Рамакришнан, вдохновившись примером Йонат, добивались того, чтобы получить рентгеновские снимки с более высоким разрешением. Наконец, в 2000 году, группа Стейтса опубликовала детальную структуру большой субъединицы рибосомы, показав, что ее каталитически активная часть образована РНК[295]. Иными словами, кратко подытожил Томас Чек, “рибосома оказалась рибозимом”[296]. Несколько недель спустя коллективы под руководством Йонат и Рамакришнана опубликовали модель уже малой субъединицы примерно с тем же разрешением, что означало удачное завершение проекта в целом[297]. В 2009 году трое ученых получили общую Нобелевскую премию по химии[298].
 
Трудно переоценить значение этого открытия для гипотезы Мира РНК. Без сомнения, полученное доказательство было неопровержимым. Рибосома является самым важным компонентом живых организмов, а его основой, как оказалось, служит РНК. Это подразумевает, что первая рибосома могла состоять исключительно из данной нуклеиновой кислоты. Вероятно, такие примитивные рибосомы были просто маленькими молекулами РНК, которые могли связывать аминокислоты. И когда две такие РНК соединялись в дуплекс, аминокислоты могли сближаться друг с другом и образовывать связи.
После 2000 года гипотеза о Мире РНК пережила еще несколько потрясений, что лишь простимулировало ее развитие. Другой студент Орджела, Джеральд Джойс, добился больших успехов в изучении проблемы самореплицирующейся РНК. Опираясь на идеи фон Кедровски и Кауфмана о молекулярных сетях, Джойс отказался от мысли о независимой репликации единственной молекулы РНК. Ему удалось получить пары РНК, в которых одна молекула синтезировала другую, – по сути, это была чрезвычайно простая версия автокаталитического набора.
В первое десятилетие XXI века Джойс и его коллеги Донг-Ын Ким и Трейси Линкольн поигрались со структурой рибозима, который исходно соединял две коротких РНК в одну длинную[299]. В модифицированном виде этот рибозим соединял уже два коротких фрагмента РНК, образовавших при этом другой рибозим. Этот второй рибозим, в свою очередь, сшивал две РНК и тем самым создавал копию исходного рибозима. При наличии достаточного исходного материала (а именно – коротких РНК с подходящей последовательностью) эти циклы могут работать бесконечно. Существует, конечно, соблазн задаться вопросом, откуда должны возникнуть эти самые новые короткие РНК, но для иллюстрации работы принципа эксперимент был чрезвычайно хорош.
Подобные исследования продолжаются и сейчас. Они доказывают, что РНК действительно способна к саморепликации. Однако последняя не происходит напрямую, как предполагали Орджел и Гилберт в своих описаниях единственного рибозима, могущего создавать собственные копии. Репликация РНК требует нескольких различных рибозимов, которые должны “работать в команде”. И такие наборы соединений вполне представимы.
Для Мира РНК это стало хорошей новостью. Данная гипотеза прошла через ряд серьезных испытаний и выдержала их благодаря, в частности, и таким вышеописанным открытиям, как разгадка устройства рибосомы и обнаружение способности монтмориллонита ускорять образование РНК из нуклеотидов.
Тем не менее биохимик Гарольд Бернхардт говорил не только от своего имени, когда называл гипотезу Мира РНК “худшей из теорий ранней эволюции жизни (если не считать всех других)”[300]. К примеру, существуют сомнения в возможности образования нуклеотидов без ферментов – а без нуклеотидов РНК не построить. И это объясняет упорство тех ученых, которые продолжают отдавать предпочтение альтернативным нуклеиновым кислотам вроде ПНК.
В какой-то степени отношение исследователей к гипотезе РНК определяется тем, о какой именно ее версии мы говорим. “Жесткая” версия (Мир РНК в понимании Гилберта) гласит, что первые живые организмы состояли исключительно из РНК без каких-либо белков и прочих сортов макромолекул. Это представляется очень сомнительным. Пока никому не удалось показать, что целый метаболизм может держаться исключительно на рибозимах. А вот “мягкая” формулировка для многих оказалась приемлемой. Согласно этому сценарию РНК, хотя и стала первым генетическим материалом, предшествуя ДНК, тем не менее не взяла на себя абсолютно всю работу, уподобляясь какому-нибудь нелепому сверхчеловеку из книги Айн Рэнд[301]. Другие макромолекулы, включая белки, также участвовали в зарождении жизни, играя при этом важную роль.
И все же даже эта новая редакция Мира РНК вызывает вопросы. В частности, если РНК действительно свободно плавали в первичном бульоне, непонятно, что удерживало их вместе и не давало “разбежаться” в разные стороны. То же касается и монтмориллонита: хороший ливень наверняка смыл бы с него РНК. Все это заставило некоторых ученых счесть идею Мира РНК неудачной… если только в начале истории жизни не нашлось чего-то, что могло удерживать все нужные биологические молекулы вместе.