Жизнь могла быть другой: ученые показали, что РНК способна создавать белки с любой хиральностью

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Жизнь, какой мы ее знаем, поражает своим единообразием на молекулярном уровне. Представьте себе, что все дома в мире строятся из одних и тех же кирпичей, но повернутых всегда в одну сторону. Примерно так обстоит дело с аминокислотами — строительными блоками белков, основы всего живого. Они существуют в двух формах, как правая и левая рука, но жизнь почему-то выбрала исключительно «левосторонние» аминокислоты для построения своих белков. Почему? Этот вопрос, казалось бы, простой, уводит нас в глубины биохимической истории Земли, к самому моменту зарождения жизни.

Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, вносит неожиданный поворот в эту историю. Ученые предположили, что РНК — молекула, предшественница ДНК и вероятный хранитель генетической информации в ранней жизни, — могла бы дать ответ на вопрос о «леворукости» белков. Логика проста: если РНК умеет строить белки, возможно, она же и определяет их «левостороннюю» природу. Однако результаты эксперимента оказались ошеломляющими: РНК способна катализировать синтез белков как с «левыми», так и с «правыми» аминокислотами.

Хиральность, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
РНК — двуликий Янус биохимии?

Представьте себе молекулу РНК в роли некоего биохимического Януса, способного смотреть в обе стороны. Она не отдает предпочтения ни «левым», ни «правым» аминокислотам, одинаково успешно работая с обеими формами. Это открытие ставит под сомнение гипотезу о том, что изначальные биохимические процессы были предопределены к «левосторонней» хиральности. Возможно, предпочтение «левых» аминокислот — это не фундаментальное свойство жизни, а результат случайности, закрепившейся в ходе эволюции.

Эксперимент, проведенный исследователями, был элегантен и прост по своей сути. Они воссоздали условия, предположительно существовавшие на ранней Земле, и наблюдали, как рибозимы — ферменты, состоящие из РНК, — синтезируют аминокислоту фенилаланин, существующую в двух формах. Результаты показали, что различные комбинации рибозимов могут отдавать предпочтение как «левой», так и «правой» форме аминокислоты. Это говорит о том, что РНК сама по себе не является причиной «левосторонней» ориентации белков.

A Пример EMSA рибозима S-1A.1-a, инкубированного со стрептавидином для сдвига геля (репрезентативные результаты независимых трипликатов). Левый гель: до (полоса 1) и после (полоса 2) реакции с BFO. Правый гель: до (полоса 3) и после (полоса 4) селективного гидролиза аминоацил-эфирной связи. Низкоподвижная полоса наблюдается для аминоацил-РНК после реакции с BFO и не наблюдается после селективного гидролиза, как и ожидалось. B Для определения стереоселективности рибозимов каждый рибозим инкубировали с рацемическим BFO. В результате реакции (1) на внутреннем гидроксиле 2′ образуется сложноэфирная связь, дающая аминоацил-РНК с неизвестным изомерным соотношением. (2) Сложный эфир селективно гидролизуется, давая биотинилированный фенилаланин, который отделяется от РНК с помощью хроматографии с исключением размеров. Затем амидная связь расщепляется для удаления молекулы биотина. (3) Полученную смесь L- и D-фенилаланина разделяют методом ВЭЖХ на хиральной колонке, идентичность пиков проверяют с помощью масс-спектрометрии, а энантиомерное соотношение определяют путем интегрирования пиков. C, D Примеры ЖХ-МС анализа для объединенной смеси 10 мкМ стандартов (C) и для продуктов реакции S-1A.1-a и BFO (1 мМ), после обработки (D). Рацемический Trp использовали в качестве внутреннего стандарта при ионообменной хроматографии. В образце наблюдался избыток D-Phe над L-Phe. Масс-спектрометрия подтвердила идентичность пиков L-Phe (E) и D-Phe (F) из образца, использованного для (D). BFO = биотинил-Phe-5(4H)-оксазолон; РНК = рибонуклеиновая кислота.
Автор: Kenchel, J., Vázquez-Salazar, A., Wells, R. et al. Источник: www.nature.com
Эволюционный поворот: почему «левши» победили?

Если РНК не виновата, тогда что же? Исследователи предполагают, что гомохиральность — единообразие в ориентации молекул — могла возникнуть не сразу, а в результате эволюционного отбора. Представим себе раннюю Землю, где в «первичном бульоне» плавали как «левые», так и «правые» аминокислоты, и РНК без разбора использовала и те, и другие. Но в какой-то момент, возможно, в результате случайного события, возникла популяция организмов, основанных на «левых» аминокислотах, которая оказалась чуть более приспособленной, чем их «праворукие» собратья.

Этот небольшой эволюционный перевес мог стать началом цепной реакции. «Левые» белки, возможно, были чуть более стабильными, чуть более эффективными в качестве ферментов, или чуть лучше взаимодействовали с другими молекулами. В результате они получили преимущество в борьбе за ресурсы, начали размножаться быстрее, и со временем полностью вытеснили «праворуких» конкурентов.

A Индекс энантиоселективности показан в виде тепловой карты, где каждый рибозим представлен кружком с меткой. Расстояние редактирования Левенштейна (количество замен, вставок или делеций) между последовательностями обозначено силой линии (см. легенду). Направление предпочтения сохраняется среди родственных рибозимов. B Парные различия в энантиоселективности в зависимости от расстояния редактирования для каждой пары рибозимов. Синий: между рибозимами в рамках мотифа 1; красный: между рибозимами в рамках мотифа 2; фиолетовый: между рибозимами мотивов 1 и 2; зеленый: между рибозимами мотивов 1 и 3; оранжевый: между рибозимами мотивов 2 и 3. C Стереоселективность D- против L-рибозима S-1A.1-a. Столбики указывают на среднее значение из трипликатов; столбики с ошибками — на стандартную ошибку среднего. Энантиомерные избытки [ee = |(FD — FL)/(FD + FL)|] существенно не различаются (двухсторонний t-тест, p = 0,11). Исходные данные представлены в файле Source Data. F = фракция; ie = индекс энантиоселективности.
Автор: Kenchel, J., Vázquez-Salazar, A., Wells, R. et al. Источник: www.nature.com
В поисках внеземной жизни: зеркальное отражение?

Открытие того, что РНК не диктует хиральность белков, имеет далеко идущие последствия, в том числе и для поиска внеземной жизни. Если «леворукость» белков — не универсальное правило, а результат случайности, то не исключено, что на других планетах может существовать жизнь, основанная на «правых» аминокислотах. Это открывает захватывающие перспективы для будущих исследований.

Ученые уже начали анализировать образцы с астероида Бенну, доставленные на Землю миссией OSIRIS-REx, на предмет хиральности аминокислот. В будущем планируется исследовать образцы с Марса, чтобы попытаться найти следы жизни, в том числе и рибозимы и белки. Кто знает, может быть, на других планетах мы обнаружим «зеркальное отражение» земной жизни, основанное на «правых» аминокислотах?

Загадка хиральности остается одной из самых интригующих в биологии. Новые исследования показывают, что ответ на этот вопрос может быть сложнее, чем мы думали. Возможно, жизнь не была предопределена к «левосторонней» ориентации, а выбрала этот путь случайно, в результате сложной игры эволюционных сил. И это, в свою очередь, открывает новые горизонты в поисках жизни за пределами Земли, позволяя нам представить себе миры, где жизнь может выглядеть совсем иначе, чем на нашей планете.

2 комментария

1
У Твердослова (МГУ) хороший аналитический реферат по хиральности в биологии

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Вы нас прослушиваете? Как за 1 минуту проверить, какие приложения тайно используют микрофон вашего телефона

Иногда достаточно просто поговорить о чём-то вслух — и через пару часов вы уже видите рекламу именно этого товара. Совпадение? Не всегда. Смартфоны действительно могут получать доступ к...

Парк Галицкого в Краснодаре: бесплатно, красиво, надолго — что посмотреть и сколько времени заложить на прогулку

Если вы будете проездом в городе Краснодаре или приехали сюда на отдых, то я непременно рекомендую посетить знаменитый парк «Галицкого», который официально носит название парк «Краснодар». Это...

Чем пристань отличается от причала

Водный транспорт требует наличия специально оборудованных мест для безопасной стоянки, посадки пассажиров и выгрузки привезенных товаров. В повседневной речи слова «пристань» и «причал» очень часто...

Нарвал — морской единорог Арктики: жизнь и тайны загадочного кита

Нарвал — одно из самых загадочных и необычных животных Арктики. Его нередко называют «морским единорогом» из‑за характерного длинного бивня, выступающего из головы. Этот обитатель...

Динамика разрушения: почему пал «Галопирующая Герти»

Обрушение Такомского моста (Такома-Нэрроуз) в 1940 году — один из самых показательных эпизодов в истории инженерии. Этот случай наглядно демонстрирует: даже крупная и, казалось бы,...

Кевлар: история прочного волокна и области его применения

На сегодняшний день пара-арамидные волокна интегрированы в экипировку специалистов, работающих в экстремальных условиях: военнослужащих, сотрудников силовых структур, космонавтов, исследователей, а...