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

В протоклетках Шостака не было ни белков, ни ферментов, ни прочей обычной для клетки машинерии. И тем не менее их сходство с живым потрясает. “Данные эксперименты стали принципиальным доказательством того, что рост и деление везикул обусловлены простыми физико-химическими явлениями и не требуют участия какой-либо сложной биохимической машинерии”, – таков был вывод ученых. Вообще-то, они явно себя недооценили. Как мы убедились в главах 4 и 6, современные клетки имеют очень сложное устройство – в них работают сообща тысячи различных компонентов. А протоклетки Шостака – несмотря на то, что они состоят всего из нескольких соединений, – воспроизводят многие фундаментальные свойства живого. Как известно, Нильс Бор говорил, что тот, кого не испугала квантовая механика, совершенно ее не понял. То же можно сказать и об экспериментах Шостака: с учетом того, насколько просто устроены протоклетки Шостака, их сходство с настоящими поистине поражает.
Статья с этими результатами была опубликована в 2003 году, спустя полвека после проведения Миллером его эпохального эксперимента, который показал возможность самопроизвольного образования биологических молекул[463]. Это были пять десятилетий застоя и вязких непродуктивных споров. Но теперь они подошли к концу и наука о зарождении жизни быстро продвигается вперед. Причем это касается как экспериментальных исследований, так и теории. 
В течение десяти последующих лет ученые убедились, что их протоклетки еще более универсальны, чем казалось вначале[464]. Всего через год они продемонстрировали, насколько слаженно могут работать РНК и его липидное пристанище. Ранее Шостак и Луизи предлагали связать их воедино за счет того, что рибозимы внутри создавали новые липиды для оболочки. Но теперь группа Шостака придумала кое-что более простое.
Когда в везикуле становится слишком много РНК, давление на мембрану возрастает и она растягивается, как полный продуктов полиэтиленовый пакет. Шостак и его сотрудники выяснили, что подобные “растянутые” протоклетки могут забирать липиды у соседних везикул, которые не содержат РНК. Такие протоклетки по сути конкурируют между собой за “строительный материал”, то есть за липиды. Победителем из этой борьбы выходит тот, в ком больше РНК. Законы физики мембран стимулируют и рост наполненных РНК везикул, и уменьшение пустых везикул. По мнению ученых, это простое соревнование “могло сыграть важную роль в запуске эволюции по Дарвину”[465]. В частности, протоклетки, содержащие РНК со способностью быстрее копировать себя, и сами растут быстрее.
Вдобавок протоклетки оказались очень устойчивы. Они выдерживали и охлаждение до 0 °C, и нагрев до 100 °C[466]. Из этого следует, что они могли бы существовать в гидротермальных источниках – как на суше, так и в океане. Мало того: нагревание открыло их новые возможности. В горячем виде они свободно пропускали внутрь небольшие молекулы вроде нуклеотидов – при нормальной температуре это невозможно. Получается, что в нагретом состоянии протоклетки могли “питаться”, вбирая в себя новый материал.
И все же была тут одна проблема. Как именно могло происходить деление протоклеток, то есть, по сути, их размножение?[467] В исходном эксперименте протоклетки необходимо было продавливать через крошечные отверстия и тем самым изменять их форму, однако это выглядит искусственно и вряд ли действительно происходило миллиарды лет назад. К тому же при таком продавливании протоклетки теряли часть своих РНК. Требовалось придумать что-то другое, получше.
Для решения этой проблемы было предложено два остроумных способа, причем предложено одним и тем же человеком – студентом Тинг Чжу. В 2009 году он и Шостак получили протоклетки, которые имели несколько слоев мембран и потому напоминали луковицы[468]. Когда им “скармливали” липиды, они превращались в более крупные вытянутые цепочки. Такие цепочки оказались хрупкими, поэтому даже небольшое движение окружающего раствора разрушало их, создавая десятки новых протоклеток, сохраняющих при этом свое содержимое. А спустя три года Чжу придумал и второй способ[469]: сначала везикулам-“сосискам” давали определенные небольшие молекулы, а потом подвергали везикулы действию света. Это запускало химические реакции, из-за которых везикулы начинали делиться. Так что протоклетки, способные к независимым росту и делению, теперь не кажутся чем-то нереальным[470].
 
Добиться саморепликации РНК в составе таких протоклеток оказалось посложнее – ведь надо было обойтись без сложного фермента. При этом нуклеотидам предстояло выстроиться в ряд вдоль имеющейся молекулы РНК и соединиться, образовав новую цепочку. Орджел и другие исследователи сражались с проблемой такой “неферментной репликации” еще с 1980-х годов. Теперь же Шостаку предстояло добиться этого внутри протоклетки.
Он и его студентка Катажина (Кейт) Адамала вплотную занялись этим вопросом в 2012 году. Сложностей на их пути могло возникнуть множество: например, нуклеотиды норовят иногда присоединиться к РНК не той стороной[471]. И тем не менее уже на следующий год были получены первые результаты[472].
Ученые знали, что РНК копирует себя быстрее в присутствии ионов магния. Это выглядит правдоподобно: магний относится к распространенным элементам. Но, к сожалению, он также разрушает липидную мембрану протоклеток. Адамала и Шостак решили эту проблему, добавив цитрат – соединение, которое очень похоже на лимонную кислоту из лимонов. Цитрат присутствует во всех живых организмах, а в этом опыте он требовался для связывания магния. Благодаря цитрату магний мог ускорять копирование РНК, не нарушая при этом структуру протоклеток. В итоге сочетание магния и цитрата сделало возможным саморепликацию РНК в липидной упаковке.
Позже оказалось, что железо ускоряет самокопирование РНК даже лучше, чем магний. Это в 2018 году выяснил Шостак в ходе своей совместной – с Адамала (к тому времени уже возглавлявшей собственную лабораторию) и еще несколькими коллегами – работы[473]. Такой факт особенно воодушевляет, если учесть, что ученые предполагают в океанах молодой Земли обилие железа. Сейчас его меньше, поскольку в реакции с ним активно вступает кислород из атмосферы, – но, как мы помним, исходно кислорода на Земле не было.
Важно отметить, что РНК в протоклетках – это еще не гены. В отличие от нуклеиновых кислот в современных организмах, такие РНК ничего не кодируют. Однако весь смысл последовательности РНК состоит именно в неких записанных в ней полезных свойствах. Так вот: у протоклеток Шостака есть РНК, но нет генов. Это, разумеется, не лишает эксперименты Шостака ценности – ведь находящаяся на своем месте РНК позднее может измениться и начать что-то кодировать. Вот и специалист в области пребиотической химии Джон Сазерленд (см. главу 14) утверждает, что первая успешная репликация РНК без ферментов в протоклетках Шостака – это одно из самых больших достижений науки о зарождении жизни за много лет[474]. “Он добился потрясающего прогресса, – говорит Сазерленд. – Я считаю это настоящим прорывом”[475].
Однако не все полагают эти эксперименты убедительными. Такие критики любят вспоминать, что – несомненно впечатляющие – протоклетки все же вряд ли могут образоваться сами по себе, поскольку для их получения нужны химические реактивы в чистом виде, а на древней Земле имелись лишь сотни перемешанных между собой различных соединений. В ответ команда Шостака представила доказательства того, что смесь липидов также может образовывать протоклетки, причем делает это даже легче[476].
Верно также и то, что протоклетки не имеют ничего похожего на метаболизм. Хотя они способны расти, вбирая в себя находящиеся вокруг них липиды, они не умеют перерабатывать химические вещества или создавать новые.
Последние десять лет Шостак занимается решением данной проблемы, в основном добавляя к своим протоклеткам катализаторы и простые белки[477]. В частности, в 2013 году он и Адамала использовали с этой целью белок из всего двух аминокислот[478], [479]. Этот совсем маленький пептид служил катализатором для синтеза второго пептида, который тут же присоединялся к мембране протоклетки и ускорял ее рост. Таким образом, с этими пептидами протоклетки увеличивались быстрее, чем без них, и более сложно устроенные протоклетки приобретали преимущество. Следовательно, определенные химические вещества могли стимулировать их развитие. С другой стороны, сами эти крошечные пептиды помогали РНК присоединиться к мембране, где ей проще вступать в различные химические реакции, в том числе для самокопирования[480].