Дикие гены

Хофман-Зибер Хельга

Эти наблюдения стали источником вдохновения для трех ученых. В 1967–1968 годах они независимо друг от друга высказали идею, позволяющую разрешить проблему. Это были Фрэнсис Крик, американец Карл Вёзе (с ним мы подробнее познакомимся в 4-й главе) и англичанин Лесли Илизер Орджел. Орджел, являвшийся, между прочим, одним из участников «Клуба галстуков РНК», был ученым до мозга костей. Любовь к химии проявилась у него еще в подростковом возрасте, когда Лесли увлеченно изготавливал взрывчатку и применял ее на практике… Поэтому, если малолетняя шпана пытается взорвать ваш гараж, подумайте о том, что вы, возможно, имеете дело с научной элитой завтрашнего дня!

Исходя

из свойств тРНК, все трое предположили, что в прошлом мог существовать такой механизм синтеза белков, при котором не требовалось брать за основу уже существующий белок. Для образца использовалась мРНК, в качестве передатчика кода выступала тРНК, а машина РНК производила белок. У сегодняшних живых организмов (это было известно уже в то время) такой машиной является рибосома – большой белковый комплекс, содержащий встроенные нити РНК, так называемые рибосомные РНК, или рРНК. Может, это реликт прежних времен?

Но раз уж ученые зашли в своих предположениях так далеко, то эту идею можно довести до логического конца: если для производства первых белков требовалась только РНК, следовательно, РНК появилась раньше белка. А поскольку РНК может одновременно выступать в роли носителя информации и активной синтезирующей структуры, то она древнее ДНК. Короче говоря, был сделан вывод о том, что в неразрывной на первый взгляд троице первой появилась РНК!

Идея была очень привлекательной, но недостаточно обоснованной. В конце концов, она строилась лишь на предположении, что РНК в состоянии выполнять функцию энзима. К сожалению, все известные на тот момент энзимы были белками. И даже если сам мистер Крик считал, что молекула тРНК выглядит как молекула белка, это еще не могло считаться доказательством. Нобелевская премия за двойную спираль была тут слабым аргументом.

Все последующие годы ситуация оставалась в подвешенном состоянии, но в 80-е годы случилось нечто невероятное: удалось обнаружить молекулы РНК, которые действительно работали как энзимы. Во-первых, был открыт комплекс из РНК и белка РНКаза Р, в котором главную работу выполняла как раз РНК, а не белковая часть. Во-вторых, было сделано наблюдение, что молекулы рРНК, встроенные в рибосомы одноклеточных организмов, могут сами разделять себя на части и затем вновь соединяться (позднее ученые узнали, что то же самое может происходить и с различными молекулами тРНК и мРНК). Такие РНК-энзимы получили короткое и прагматичное наименование рибозимов.

В канун нового тысячелетия добавился еще один решающий аргумент: было установлено, что сердцевина рибосомы (та самая структура, в которой аминокислоты фактически превращаются в белки) состоит только из РНК. Все эти открытия настолько уверенно подкрепили шаткую доселе идею, что она стала господствующей (если не единственной) из всех, что описывали время до зарождения жизни, и получила звучное название «гипотезы мира РНК».

Необходимо еще раз подчеркнуть: речь идет о гипотезе, и, если даже в ее пользу говорит сегодня очень многое, полной уверенности до сих пор нет. Кроме того, существуют весьма разнообразные мнения относительно того, как в реальности мог выглядеть мир РНК. Вы хотите в него заглянуть? Хорошо. Тогда мы откроем входную дверь и выйдем наружу, в мир РНК.

Чтобы гипотеза мира РНК была обоснованной, в прошлом должна была существовать

РНК, способная к размножению. Лучшим доказательством было бы обнаружение древнего экземпляра такой РНК. На сегодняшний день мы им не располагаем, но ученые уже с 1980-х годов пытались создать такую РНК в процессе искусственной эволюции в пробирке. В 2013 году им это удалось. Был получен рибозим, состоящий из 202 фрагментов и способный синтезировать РНК из 206 фрагментов. Не все последовательности РНК удалось соблюсти, и полученный рибозим не мог самостоятельно размножаться, но это открытие весьма ощутимо подкрепило гипотезу мира РНК. Продолжаются поиски варианта, который действительно сможет воспроизводить сам себя.

От нашего времени этот мир отделяет примерно 3,8 миллиарда лет. Землю бомбардирует поток метеоритов. Вулканы бурлят и выплевывают в ядовитую атмосферу дым и лаву. Под плотными облаками древние моря обрушивают волны на обрывистые прибрежные скалы. Где-то в этих водах плавают крошечные круглые и нитевидные структуры, состоящие из тонкой мембраны, образованной жирными кислотами, и коротких молекул РНК, обладающих необычной способностью – работать как рибозимы и размножаться, копируя нити РНК.

Протоклетки добывали строительные материалы из окружающей среды через мембрану. Возможно, среди них были такие, которые размножались успешнее других. В результате их популяция была более многочисленной, и это стало началом эволюции. Но до совершенства было еще очень далеко. Процесс размножения шел так себе. Какое-то продолжение рода обеспечивалось, но не более того. Разумеется, РНК осуществляли химические реакции, но их перечень был весьма ограничен. Поэтому в какой-то момент на первый план вышли белки, ведь 20 аминокислот – это более разнообразный строительный материал и с их помощью можно эффективно решать большее количество задач, чем с РНК.

Необходимо ясно представлять себе, что генетический код, о котором так много говорят, появился, скорее всего, спустя миллионы лет после возникновения генетической информации. РНК способна хранить два различных вида информации. Во-первых, это генетический код для синтеза белков, а во-вторых, прямая информация о последовательностях собственной структуры, благодаря которым она приобретает трехмерную форму и производит рибозимы.

Если говорить о продолжительности хранения наследственной информации, то РНК не была идеальным решением, поскольку она очень уязвима и подвержена спонтанному распаду. Решением этой проблемы стала ДНК. Ее важнейшим отличием от РНК было наличие в составе несколько иного сахара, который не столь охотно вступает в химические реакции и делает молекулу ДНК более стабильной. О том, что ДНК возникла в ходе развития РНК, говорит и то обстоятельство, что ее компоненты создаются на основе сахаров, образованных из прекурсоров РНК.

На самом деле в гипотезе мира РНК остается нерешенным один из главных вопросов: какие условия должны были сложиться, чтобы первые молекулы РНК достаточно долго сохраняли стабильность и имели возможность размножаться? Как они вообще появились? Здесь идеи становятся весьма расплывчатыми. Однако мы уже знаем, что случайные последовательности РНК могут спонтанно образовываться из собственных строительных материалов в ходе двух (в значительной мере искусственных) сценариев. Во-первых, это может происходить на поверхности глинистого минерала монтмориллонита (названного в честь французского округа Монморийона, где в 1847 году он был обнаружен и описан), а во-вторых, в замерзающей воде.