Рибозимы против перхлоратов: почему жизнь может существовать на Марсе?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Марс — это планета, которая будоражит умы ученых уже не одно столетие. Возможность существования жизни на этой красной планете — одна из самых интригующих научных загадок. Недавние исследования, проведенные группой ученых из Университета Миннесоты, добавляют новую главу в эту историю, показывая, что жизнь на Марсе могла бы существовать в условиях, которые кажутся для нас крайне экстремальными.

Жизнь на Марсе, вольная интерпретация
Автор: Designer

Ключевой фактор, который долгое время считался препятствием для жизни на Марсе, — это наличие перхлоратов, солей, токсичных для большинства известных форм жизни. Однако, как оказалось, перхлораты могут не только представлять опасность, но и создавать уникальные условия для существования.

Исследователи обратили внимание на то, что перхлораты обладают высокой гигроскопичностью, то есть способностью поглощать воду из атмосферы. Это значит, что они могут образовывать рассолы (гиперсоленые растворы), которые могли бы стать своеобразными оазисами для жизни в суровых условиях Марса.

a Карикатурное изображение реакции рибозима hammerhead, расщепляющего одну из составляющих его нитей РНК. b Изображения геля кинетического анализа саморасщепления hammerhead (100 нМ каждой нити hammerhead A и B, 50 мМ Трис-HCl буфера pH 8 и 2. c Графическое представление (b) с контролем NaCl. d Мультипликационное изображение реакции белкового фермента EcoRI, расщепляющего двухцепочечный полимер ДНК. e Гелевое изображение анализа нуклеазы EcoRI (0. 05 U/µL EcoRI и 1 мкМ дуплексной ДНК) в перхлоратных растворах. f Графическое представление d с контролем NaCl. g Аптамер Брокколи связывает DFHBI-1T, вызывая флуоресценцию. h Флуоресценция DFHBI-1T/Broccoli в перхлоратных рассолах с 2 мкМ аптамера Брокколи, 50 мкМ DFHBI-1T и 10 мМ магния. i Гистограммы (g) в сравнении с NaCl-контролем. j Рибозим tC19z привлекает РНК-шаблон и NTPs для удлинения последовательности РНК-праймера. k Изображения геля удлинения РНК-праймера, катализируемого tc19z в различных концентрациях перхлората/хлорида натрия. Реакции состояли из 500 нМ tC19z, 500 нМ шаблона, 500 нМ РНК-праймера, 4 мМ нуклеотидтрифосфатов, 50 мМ трис-HCl pH 8,3, 200 мМ магния. l Графическое представление k. Планки ошибок представляют собой стандартную ошибку среднего значения при n = 3 независимых экспериментах. Рисунки 1a, g и j были созданы с помощью BioRender.com и опубликованы на условиях Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International licence
Автор: Hoog, T.G., Pawlak, M.R., Gaut, N.J. et al. Emergent ribozyme behaviors in oxychlorine brines indicate a unique niche for molecular evolution on Mars. Nat Commun 15, 3863 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48037-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Именно эти рассолы стали предметом пристального внимания ученых. В лабораторных условиях они исследовали влияние перхлоратных рассолов на различные биологические молекулы, в том числе на рибозимы — молекулы РНК, обладающие каталитической активностью.

Результаты исследования поразили даже самих авторов. Оказалось, что рибозимы демонстрируют не только удивительную устойчивость к высоким концентрациям перхлоратов, но и способность использовать их для собственных функций.

a Мультяшное изображение нуклеазы TaqI-v2, расщепляющей дсДНК. b Гелевые изображения анализа нуклеазы TaqI-v2 (0,05 U/µL EcoRI и 1 мкМ дуплексной ДНК) в перхлоратных растворах показывают, что фермент неактивен при 0,2 М перхлорате. c Измерения скорости анализа нуклеазы TaqI-v2 с контролем NaCl. d Гидролаза HaBlap раскрывает β-лактамное кольцо. e Анализ активности HaBlap (5 мкМ HaBlap и 50 мкМ нитроцефина в 5 мМ фосфатном буфере pH 7) в перхлоратных рассолах с использованием колориметрического субстрата β-лактамазы — нитроцефина. f Выход реакций HaBlap по сравнению с NaCl-контролем. g Анализ восстановления активности белков EcoRI, HaBlap и TaqI-v2 показал, что восстановление происходит при разведении от высокой до низкой соли только для экстремофильных белков. Растворы перхлората высокой и низкой концентрации составляли 5 и 0,05 М, соответственно. h Анализ восстановления активности функциональных РНК рибозима hammerhead, аптамера Broccoli и рибозима tC19z показал, что восстановление происходит при разбавлении от высокой до низкой концентрации соли для всех трех РНК. Растворы с высоким и низким содержанием перхлората составляли 8 и 0,8 М для hammerhead и Broccoli и 5 и 0,5 М для tC19z. Столбики ошибок представляют собой стандартную ошибку среднего значения при n = 3 независимых экспериментах. Рисунки 2a, d, g и h созданы с помощью BioRender.com на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International
Автор: Hoog, T.G., Pawlak, M.R., Gaut, N.J. et al. Emergent ribozyme behaviors in oxychlorine brines indicate a unique niche for molecular evolution on Mars. Nat Commun 15, 3863 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48037-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Например, они обнаружили, что рибозимы, такие как «молотковая» рибонуклеаза, могут сохранять свою активность в растворах с концентрацией перхлоратов до 6-7 моль на литр! При этом белковые ферменты, подобные эндонуклеазе EcoRI, теряют активность уже при гораздо более низких концентрациях перхлоратов (около 0,2-0,5 моль на литр).

Эти данные свидетельствуют о том, что рибозимы обладают естественной устойчивостью к солям, подобной той, что наблюдается у некоторых экстремофильных белков.

«И это не просто устойчивость, а способность рибозимов использовать перхлораты в своих целях», — отмечают авторы исследования.

a Гелевые изображения анализа саморасщепления Hammerhead, проведенного в присутствии rN6 и различных хаотропных растворов. Условия реакции состояли из 200 мМ Трис-HCl pH 8, 100 нМ нитей A и B Hammerhead, 250 мкМ rN6, 2,5 мМ магния. b, c Графическое представление a демонстрирует, что перхлорат денатурирует каталитически непродуктивные комплексы hammerhead-rN6, позволяя hammerhead ренатурировать и расщеплять. Столбики ошибок представляют собой стандартную ошибку среднего значения при n = 3 независимых экспериментах. Рисунок 3b, c создан с помощью BioRender.com по международной лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International
Автор: Hoog, T.G., Pawlak, M.R., Gaut, N.J. et al. Emergent ribozyme behaviors in oxychlorine brines indicate a unique niche for molecular evolution on Mars. Nat Commun 15, 3863 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48037-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Оказалось, что перхлораты могут действовать как своего рода «переключатель» для рибозим, активируя или дезактивируя их функции в зависимости от концентрации соли. Это открывает новые возможности для понимания того, как рибозимы могли бы регулировать свои функции в условиях меняющейся среды, подобной марсианским.

Еще одним удивительным фактом стало то, что рибозимы могут катализировать реакции галогенирования органических молекул, используя в качестве «помощника» хлорит, более реактивный вид хлора, чем перхлорат.

«Мы наблюдали, как рибозим, связанный с гемином (молекулой, содержащей железо), осуществляет хлорирование монохлордимедона, молекулы, часто используемой в качестве модельного субстрата в подобных реакциях», — рассказывают авторы.

a Пероксидаза хрена (HRP) катализирует реакцию хлорирования с использованием хлорита (ClO2-) в качестве акцептора электронов и донора хлора. b Катализируемое HRP хлорирование монохлордимедона (МХД) титруемым количеством NaClO2. c Четырехмерный рибозим G-гема (rPS2. M/heme) катализирует реакцию хлорирования с использованием хлорита. d rPS2. M/heme катализирует хлорирование MCD титруемыми количествами хлорита. e Кинетический анализ хлорирования MCD, катализируемого HRP и rPS2. M, отслеживается по абсорбции при 290 нм. Анализ проводили с 5 мкМ катализатора (HRP, rPS2. M/гема или просто гема), 50 мкМ MCD и 100 мкМ NaClO2 в 100 мМ Li-HEPES pH 7,4. f Кинетический анализ хлорирования фенолового красного (50 мкМ) по изменению поглощения при 574 нм, катализируемого HRP или rPS2. g, h Масс-спектрометрия фенолового красного после реакции хлорирования, катализируемой HRP (g) и rPS2. M/heme (h +3 продукт Cl показан на увеличенной вставке). Ожидаемые молекулярные массы: 353,05, 387,01, 420,97 и 454,93. Найденные молекулярные массы: 353,1, 387,1, 421,1 и 455,0. Столбики ошибок представляют собой стандартную ошибку среднего значения при n = 3 независимых экспериментах. Рисунок 4a создан с помощью BioRender.com и опубликован на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International
Автор: Hoog, T.G., Pawlak, M.R., Gaut, N.J. et al. Emergent ribozyme behaviors in oxychlorine brines indicate a unique niche for molecular evolution on Mars. Nat Commun 15, 3863 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48037-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Это открытие говорит о том, что марсианские рассолы могут не только служить средой для существования, но и способствовать эволюции новых биологических функций, которые отличаются от тех, что мы знаем на Земле.

Исследование также показало, что рибозимы обладают более высокой устойчивостью к переменным концентрациям перхлоратов, чем многие белки.

«Это открывает новые перспективы для поиска жизни на Марсе», — считают авторы.

a Пероксидаза хрена (HRP) катализирует реакцию хлорирования с использованием хлорита (ClO2-) в качестве акцептора электронов и донора хлора. b Катализируемое HRP хлорирование монохлордимедона (МХД) титруемым количеством NaClO2. c Четырехмерный рибозим G-гема (rPS2. M/heme) катализирует реакцию хлорирования с использованием хлорита. d rPS2. M/heme катализирует хлорирование MCD титруемыми количествами хлорита. e Кинетический анализ хлорирования MCD, катализируемого HRP и rPS2. M, отслеживается по абсорбции при 290 нм. Анализ проводили с 5 мкМ катализатора (HRP, rPS2. M/гема или просто гема), 50 мкМ MCD и 100 мкМ NaClO2 в 100 мМ Li-HEPES pH 7,4. f Кинетический анализ хлорирования фенолового красного (50 мкМ) по изменению поглощения при 574 нм, катализируемого HRP или rPS2. g, h Масс-спектрометрия фенолового красного после реакции хлорирования, катализируемой HRP (g) и rPS2. M/heme (h +3 продукт Cl показан на увеличенной вставке). Ожидаемые молекулярные массы: 353,05, 387,01, 420,97 и 454,93. Найденные молекулярные массы: 353,1, 387,1, 421,1 и 455,0. Столбики ошибок представляют собой стандартную ошибку среднего значения при n = 3 независимых экспериментах. Рисунок 4a создан с помощью BioRender.com и опубликован на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International.
Автор: Hoog, T.G., Pawlak, M.R., Gaut, N.J. et al. Emergent ribozyme behaviors in oxychlorine brines indicate a unique niche for molecular evolution on Mars. Nat Commun 15, 3863 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48037-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Они предположили, что РНК и подобные молекулы могли бы быть ключом к выживанию в гиперсоленых водах Марса. Возможно, именно они и составляют основу марсианской жизни.

«Наши результаты показывают, что гипотеза о «рибонуклеиновой жизни» на Марсе не такая уж фантастическая», — резюмируют авторы.

Конечно, результаты этого исследования требуют дальнейшего подтверждения. Но оно безусловно открывает новые пути для поиска жизни на Марсе и для понимания того, как может существовать жизнь в условиях, не похожих на земные.

Почему ученые считают, что рибозимы лучше приспособлены к жизни в условиях высокой концентрации перхлоратов, чем белковые ферменты?

Рибозимы обладают естественной устойчивостью к солям из-за своего полианионного скелета. В отличие от белков, которые могут денатурироваться при высоких концентрациях солей, рибозимы могут сохранять свою структуру и функциональность даже в гиперсоленых растворах.

Как перхлораты могут действовать как «переключатель» для рибозимов?

Перхлораты могут действовать как слабые денатуранты для РНК. При низких концентрациях перхлораты могут помочь рибозимам «сбросить» неправильно сложенные конформации, активируя их функции. При высоких концентрациях они могут денатурировать рибозимы, выключая их функции. Такое поведение напоминает механизм регуляции активности ферментов в биологических системах.

Каким образом рибозимы могут катализировать реакции галогенирования, используя хлорит?

Рибозимы, связанные с гемином (молекулой, содержащей железо), могут действовать как катализаторы реакций окисления. В присутствии хлорита гемин в составе рибозима переходит в активное состояние и может катализировать реакции хлорирования органических молекул.

Насколько вероятно, что на Марсе существуют формы жизни, основанные на рибозимах?

Это трудно сказать с уверенностью. Но данные исследования показывают, что рибозимы могут выживать и даже процветать в условиях, которые считались непригодными для жизни. Возможно, на Марсе существуют формы жизни, основанные на рибозимах, а может быть, и более сложные организмы, у которых рибозимы играют ключевую роль. Дальнейшие исследования помогут нам лучше понять этот вопрос.

Какое значение имеют эти исследования для поиска внеземной жизни?

Эти исследования расширяют наши представления о том, как может существовать жизнь в экстремальных условиях. Они показывают, что мы не должны ограничиваться поиском только белковых форм жизни, и что RNA может играть более значительную роль в эволюции жизни, чем мы полагали ранее. Это открывает новые возможности для поиска жизни не только на Марсе, но и на других планетах и спутниках Солнечной системы, а также за ее пределами.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как и для чего газон футбольного поля делают полосатым

Футбольным полем в полоску сегодня никого не удивишь. Впервые такие поля «под зебру» появились в середине шестидесятых годов прошлого века в Англии. Но каким образом «разлиновывают» футбольное поле...

Ни на минуту в машине: почему детей и домашних питомцев нельзя оставлять в машине без присмотра

Люди оставляют в машине малыша или питомца без злого умысла. Ведь что может произойти все за пару минут, которые потребуются, чтобы забежать в магазин или по делу? Никто и предположить не может, к...

Стоит ли ждать PlayStation 5 Pro или лучше выбрать PS5?

Уже давно ходят слухи о том, что Sony работает над новым обновлением для своей PlayStation 5. Однако официальной информации о его выходе пока не поступало. Интересно, стоит ли ожидать его...

Как понять, что перед вами мейн-кун: история породы, внешний вид и его характер

Мейн-кун — одна из самых внушительных по размеру и прекрасных пород кошек. Их величественная осанка и мускулистое телосложение поражают. Но как определить, что кот именно этой породы? В...

Квантовая тайна сверхновых: как нейтрино подпитывают взрыв звезды?

Космос, безмолвный и холодный, тем не менее, является ареной для событий невероятной мощи и красоты. Одним из самых грандиозных и загадочных явлений во Вселенной являются сверхновые —...

Панельные «хрущевки»: ад для жизни или альтернатива студиям в «человейниках»

Вопрос выбора типа дома для покупки квартиры актуален всегда. Но порой жесткие ограничения накладывает финансовый вопрос, и смирившийся взгляд покупателей жилья обращается на типовые панельные дома...