Раньше жизнь была проще: как появился генетический код

Эволюционные биологи сделали еще один шаг к пониманию ключевого этапа происхождения жизни — появления механизма синтеза белков на основе информации, записанной в генах

Загадка происхождения жизни — один из самых жгучих вопросов, стоящих перед наукой. Пока ответ не найден, все успехи человечества в решении прикладных медицинских или биологических задач можно сравнить с попытками туземцев, никогда раньше не видевших самолетов, научиться пилотировать свалившийся на них с неба боинг. Тем не менее поиски ответа продолжаются. И хотя число ученых, сражающихся на этом фронте, в десятки раз меньше, чем занятых, к примеру, небольшими усовершенствованиями системы редактирования генов CRISPR, каждое их достижение удостаивается немедленного внимания научной общественности. А тем более если речь идет ни много ни мало о загадке происхождения генетического кода. В статье Чарльза Картера и Питера Уиллса, опубликованной в этом месяце в журнале Nucleic Acid Research, речь как раз об этом.

Два профессора — один из США, другой из Новой Зеландии — проанализировали взаимодействие частей механизма, обеспечивающего включение правильных аминокислот в растущую белковую цепь. Механизм этот настолько хитроумен, что отрицатели эволюционной теории нередко использовали его как пример «неустранимой сложности» — такого элемента живой природы, который якобы никак не мог возникнуть путем постепенных усовершенствований, потому что малейшее упрощение тут же лишает всю эту конструкцию смысла. Задача профессоров Уиллса и Картера в том и состояла, чтобы предложить разумную гипотезу, объясняющую, от каких простых предшественников могла эволюционировать эта изумительно сложная система.

Механизм трансляции — именно так называется эта система — призван переводить информацию, записанную в гене алфавитом из «букв»-нуклеотидов, в последовательность аминокислот — единиц строения белков. Ключевую роль в этом переводе играет тРНК. Эта довольно большая молекула на одном конце имеет три «буквы», узнающие соответствующий им кусочек гена (вернее, считанной с него мРНК). На другой конец молекулы — «акцепторный стебель» — в нужный момент навешивается соответствующая аминокислота. Аминокислот, как известно, существует двадцать, тРНК еще больше, и для каждой пары тРНК и аминокислоты есть своя «машинка», которая их соединяет, под названием «аминоацил-тРНК-синтетаза» (ААРС).

Все эти «машинки» различаются в деталях, но несколько десятилетий назад биологи заметили, что некоторые из них чуть больше похожи друг на друга. А именно, 20 ААРС распадаются на два класса, по десять «машинок» в каждом, причем эти классы устроены принципиально по-разному. Ранее Картер и Уиллс нашли убедительные доказательства, что каждый класс произошел от одного белка-предка. Классы ААРС различаются еще и тем, какие аминокислоты они предпочитают: первому классу обычно нравятся более крупные аминокислоты, второму — небольшие и электрически нейтральные.

Если два разных класса «машинок»-белков распознают два разных класса аминокислот, то довольно естественно предположить, что и тРНК должны разделяться на два класса, восходящие каждый к своему предку. Именно это и продемонстрировали Уиллс и Картер в своей статье.

Авторы сравнивают свою находку с палимпсестом, на котором реставраторам удалось восстановить под наслоениями содержание самой первой записи.

Оказалось, что всего три нуклеотида на «акцепторном стебле» хранят информацию о том, к какому классу относится та или иная тРНК. Этот недостающий фрагмент пазла и искали Картер и Уиллс, чтобы подтвердить свою гипотезу. Она состоит в том, что в самом начале развития жизни существовало всего два типа тРНК, обслуживаемые всего двумя типами машинок ААРС. Такая система была не слишком разборчивой и могла лишь определить, включать ли в белковую цепь аминокислоту покрупнее или обойтись маленькой. Возможно, что и выбор аминокислот в те времена был более скуден, чем сегодня, и даже не исключено, что их было в наличии всего две (а если их было больше, то точный выбор, вероятно, не имел большого значения для работы тех примитивных белков-катализаторов). Согласно гипотезе Картера и Уилса, именно из такой несложной системы развился сложнейший аппарат белкового синтеза, украшающий сегодня все формы жизни, от бактерий до человека.

Приятным сюрпризом для исследователей стало еще одно наблюдение, отвечающее на вопрос, мучающий молекулярных биологов уже три десятилетия. Как ужу было сказано, тРНК — довольно большая молекула, и если «машинка» ААРС возится в основном в районе «акцепторного стебля», то распознавание информации, записанной в гене, происходит довольно далеко оттуда (эта часть молекулы называется «антикодоном»). Чтобы объяснить, как такая конструкция могла возникнуть в эволюции, ученым приходилось предполагать, что миллиарды лет назад, когда элементы жизни только начинали оформляться, тРНК были гораздо меньше. При таких условиях ААРС могли бы узнавать тот же самый участок тРНК, что отвечал за ее специфичность, то есть содержал «кодовое слово», соответствующее информации в гене.

Ни малейших доказательств этой гипотезы найти не удавалось. Однако из анализа, проведенного Картером и Уиллсом, следует, что одна из трех обнаруженных ими «букв», определяющих разделение тРНК на два класса (а именно, нуклеотид номер два), как раз и есть остаток того самого древнего антикодона. В ходе дальнейшей эволюции эта функция переместилась на новое место, однако следы старого местоположения удается обнаружить. Авторы сравнивают свою находку с палимпсестом — древним пергаментом, на котором старый текст был заменен на новый, однако реставраторам удалось восстановить под наслоениями содержание той самой первой записи.

При всей серьезности результатов Уиллса и Картера они не ставят точку в истории происхождения генетического кода. Тем не менее круг возможных гипотез удалось сильно сузить. Чтобы доказать правильность гипотезы, исследователи могли бы попробовать воспроизвести архаичную систему трансляции в лаборатории. Потом, возможно, они позволили бы ей эволюционировать и с изумлением наблюдали бы, как на их глазах из этой примитивной химии вырастает «неустранимая сложность» современных живых систем. То, что возможности молекулярной биологии пока не позволяют проделать этот опыт, не означает, что он не будет поставлен никогда: человеческим возможностям свойственно расширяться.

Статья опубликована в журнале Nucleic Acids Research. DOI: 10.1093/nar/gky600

Источник: forbes.ru