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

Эти протоклетки нового типа, по заверениям их создателей, стали “ступенью на пути к созданию модели синтетической клетки”, то есть “такой, в которой репликации мембраны и находящейся внутри нее РНК происходят одновременно”. Иными словами, исследователи решили объединить гипотезу Мира РНК с основанной на везикулах гипотезой “вначале был компартмент” и от попыток заставить какую-то одну из ключевых систем живого взвалить на себя все функции перейти к попыткам добиться этого от работающих вместе двух ключевых систем живого.
Такие протоклетки скорее всего не имеют ничего общего с ситуацией на юной Земле. Копирующие РНК ферменты так же сложны, как и большинство этих молекул, и они не могли возникнуть в современном виде одним махом. Но, повторимся, все это служит лишь доказательством принципиальной возможности. Итак, две казавшиеся несовместимыми гипотезы оказались объединены, хотя и в довольно грубом виде.
Вскоре этой идеей загорелся Джек Шостак из Медицинской школы Гарварда. Внешне Шостак напоминает актера Чарльза Хоутри, но, к счастью, на этом их сходство заканчивается: если Хоутри был алкоголиком со скверным нравом, то Шостак – человек мягкий и пользующийся всеобщей симпатией. Он канадец, рожденный в Лондоне, а его любовь к науке уходит корнями в раннее детство[459]. Отец помог ему обустроить химическую лабораторию в подвале их дома, а мать снабжала “особенно опасными реагентами”, которые заимствовала на работе. Как-то раз юный Шостак проводил эксперимент и выпустил слишком много водорода, что привело к “впечатляющему взрыву, вследствие которого стеклянная трубка вонзилась в деревяную рейку на потолке”.
Этот энтузиазм в 1968 году привел пятнадцатилетнего (!) Шостака в Университет Макгилла. Однако выбор научного направления давался ему с трудом, и определился он лишь в 1980 году, после знакомства с биологом Элизабет Блэкберн. Блэкберн первой обнаружила, что на концах длинных ДНК клеток имеются повторяющиеся участки. Эти защитные кончики сейчас называют теломеры – по-видимому, они играют важную роль в процессах старения. Шостак начал сотрудничать с Блэкберн, и со временем им удалось доказать, что теломеры защищают остальную часть ДНК от разрушения. Спустя три десятилетия Шостак, Блэкберн и их коллега Кэрол Грейдер удостоились общей Нобелевской премии.
Однако еще в начале 1980-х годов, в то самое время, когда готовилась к публикации статья о теломерах, Шостак заинтересовался проблемой происхождения жизни. В то время Томас Чек и Сидни Олтмен как раз открыли каталитические молекулы РНК – рибозимы, ставшие важным свидетельством того, что жизнь в начале своей истории сильно зависела от РНК (см. главу 8). Шостак решил, что изучение рибозимов – это “по-настоящему круто”, и потому в 1990-е он был уже в рядах приверженцев Мира РНК[460].
Шостак стал участвовать в конференциях, посвященных проблеме зарождения жизни. На одной из них он познакомился с Пьером Луиджи Луизи. Нельзя сказать, что эта встреча ознаменовалась их идейным сближением. Луизи являлся приверженцем гипотезы “вначале был компартмент”, в то время как Шостак был своего рода партизаном, сражавшимся за Мир РНК. Их беседы то и дело оборачивались спорами. Но спустя годы каждый пришел к выводу, что его собеседник в чем-то прав. Лишенная генов клетка остается, если можно так выразиться, пустой, поскольку лишена возможности передавать наследственную информацию своим потомкам и участвовать в эволюции. Гены же без клеток оказываются “голыми” и не могут удерживаться вместе с другими молекулами, с которыми должны работать сообща.
В 2001 году ученые пришли к выводу, что первая жизнь имела оба этих компонента. Скорее всего это означало РНК в упаковке везикулы[461]. Но самое важное здесь – это способность обоих компонентов копировать себя. Далее Шостак и Луизи решили, что эти компоненты должны каким-то образом функционировать вместе. В самом простом случае РНК может быть рибозимом, создающим те самые липиды, из которых состоит мембрана. В этом случае получается “устойчивая и способная к независимому самокопированию система, которая может стать объектом дарвиновского эволюционного процесса”, – утверждают ученые. Несмотря на свою простоту, такая система является “по-настоящему живой”. “Получение простых живых клеток” оказалось, таким образом, “достижимой целью”.
 
Мысль поместить генетический материал внутрь протоклетки была не то чтобы новой. Манфред Эйген предлагал это еще в 1971 году, когда описывал свои сети “гиперциклов” из реплицирующихся РНК и белков (см. главу 6)[462]. Эйген полагал, что такие биологические молекулы должны были “спрятаться в компартмент”, для того чтобы в дальнейшем иметь возможность использовать приобретенные ими мутации. “В итоге шансы на выживание имели те системы, которые смогли приобрести упаковку компартмента и индивидуальные черты”, – утверждает он.
И все же – несмотря на заметные разногласия между представителями враждующих лагерей – Шостаку и Луизи удалось в 2001 году сформулировать позиции, сильно отличавшиеся от тех, что оба отстаивали раньше. Исследователи решили отказаться от прежних односторонних взглядов и развивать новый “гибридный” подход, согласно которому два ключевых компонента жизни возникли одновременно. Шостак вскоре взялся “доказать слова на деле” и вместе со своей научной группой начал экспериментировать с протоклетками. Спустя три года он объявил о первом крупном успехе.
Это было замысловатое исследование, включавшее в себя ряд связанных экспериментов. Ученые начали с того, что принялись искать простой способ получения протоклеток из липидов. Как мы помним из главы 9, липиды самопроизвольно собираются в капли, называемые мицеллами. Однако у мицелл нет внутренней полости, в которой могла бы разместиться РНК, поэтому первым делом их следовало превратить в имеющие полость везикулы. Преобразование одних в другие шло неохотно, но потом исследователи нашли ускоряющий его катализатор – монтмориллонит. (Наконец-то нам открылся весь спектр возможностей этого замечательного глинистого минерала.) Шостак и его сотрудники показали, что добавление зерен монтмориллонита ускоряет превращения мицелл в везикулы в сотни раз. Везикулы становились заметны менее чем через минуту и нередко содержали внутри себя захваченное зерно монтмориллонита.
Последнее обстоятельство оказалось самым существенным. Из главы 8 мы помним, что монтмориллонит ускоряет образование молекул РНК и их удлинение, поскольку те располагаются на поверхности минерала и растут на ней. Получая описанным выше способом везикулы с зернами монтмориллонита внутри, команда Шостака создала идеальное хранилище для РНК. Далее ученые добавляли РНК к зернам монтмориллонита и использовали эти последние, чтобы вызвать образование везикул. Оказалось, что каждая такая везикула несла в себе зерно монтмориллонита, покрытое РНК. Важно также, что молекулы РНК из них “не вываливались”.
Выглядело все весьма элегантно: один-единственный минерал помог ученым создать на основе самого скудного набора соединений более сложные протоклетки с нуклеиновыми кислотами внутри.
Следующие эксперименты показали, что протоклетки также способны расти за счет поглощения липидов из окружающей среды. Этот процесс оказался довольно привередливым: он происходил только при медленном добавлении новых мицелл. И все-таки он был возможен, что и продемонстрировал в 1990-е годы Луизи.
Эта же исследовательская группа сумела заставить протоклетки создавать похожие на себя “дочерние” копии – в ходе процесса, напоминающего деление: крупные везикулы продавливали через очень мелкие отверстия в ткани, придавая им форму сосиски. Полученные “сосиски” оказались неустойчивыми и быстро распадались на множество мелких везикул, так что на обычное деление клетки (с образованием двух дочерних) это походило уже не слишком, но важнее здесь то, что везикулы в процессе растеряли не всю свою РНК. В последнем эксперименте из этой серии протоклетки подвергли повторяющимся циклам роста и деления – подобное проделывают с поддерживаемой в лаборатории культурой бактерий.