Молекулен произход на живота: Какво се е образувало първо – протеин, ДНК или РНК или комбинация от тях?

„Няколко въпроса за произхода на живота са получили отговор, но много остава да се проучи“, казаха Стенли Милър и Харолд Юри през далечната 1959 г., след като съобщиха за лабораторен синтез на аминокиселини в примитивни земни условия. Много напредък, но учените отдавна се борят с фундаментален въпрос – кой генетичен материал е бил формиран първи на примитивната земя, ДНК или РНК, или по малко от двете? Сега има доказателства, които предполагат, че ДНК и РНК може да са съществували съвместно в първичната супа, откъдето формите на живот може да са еволюирали със съответните генетични материали.

Централната догма на молекулярната биология гласи, че ДНК прави РНК прави протеини. Протеините са отговорни за повечето, ако не и за всички реакции, протичащи в организма. Цялата функционалност на един организъм до голяма степен зависи от тяхното присъствие и взаимодействие протеин молекули. Според централната догма, протеините се произвеждат от информацията, съдържаща се в ДНК който се превръща във функционален протеин чрез месинджър, наречен РНК. Възможно е обаче самите протеини да оцелеят независимо без ДНК или РНК, какъвто е случаят с прионите (неправилно нагънати протеинови молекули, които не съдържат ДНК или РНК), но могат да оцелеят сами.

По този начин може да има три сценария за произхода на живота.

А) Ако протеините или неговите градивни елементи са били в състояние да се образуват абиотично по време на атмосферата, съществувала преди милиарди години в първичната супа, протеините могат да се нарекат като основа на произход на живота. Експерименталните доказателства в негова полза идват от известния експеримент на Стенли Милър^{1, 2}, който показа, че когато смес от метан, амоняк, вода и водород се смесят заедно и циркулират покрай електрически разряд, се образува смес от аминокиселини. Това отново беше потвърдено седем години по-късно³ in 1959 by Stanley Miller and Harold Urey stating that the presence of reducing atmosphere in primordial earth gave rise to synthesis of органичен compounds in the presence of above-mentioned gases plus smaller amounts of carbon monoxide and carbon dioxide. The relevance of Miller-Urey experiments was questioned by the scientific fraternity for a number of years, who thought that the gas mixture used in their research was too reducing with respect to the conditions that existed on primordial Earth. A number of theories pointed towards a neutral atmosphere containing an excess of CO2 with N2 and water vapor⁴. Въпреки това, неутралната атмосфера също е идентифицирана като правдоподобна среда за синтеза на аминокиселини⁵. Освен това, за да могат протеините да действат като произход на живота, те трябва да се самовъзпроизвеждат, което води до комбинация от различни протеини, за да се погрижат за различни реакции, протичащи в организма.

Б) Ако първичната супа осигурява условия за градивни елементи на ДНК и/или РНК, която трябва да се образува, тогава всяко от тях би могло да бъде генетичният материал. Изследванията досега предпочитаха РНК да бъде генетичният материал за произхода на формите на живот поради способността им да се сгъват върху себе си, съществувайки като единична верига и действайки като ензим⁶, способни да произвеждат повече РНК молекули. Редица самовъзпроизвеждащи се РНК ензими⁷ са открити през годините, което предполага, че РНК е изходният генетичен материал. Това беше допълнително подсилено от изследванията, извършени от групата на Джон Съдърланд, които доведоха до образуването на две бази на РНК в среда, подобна на първичната супа чрез включване на фосфат в сместа⁸. Образуването на РНК градивни блокове също е показано чрез симулиране на редуцираща атмосфера (съдържаща амоняк, въглероден оксид и вода), подобна на тази, използвана в експеримента на Милър-Юри и след това преминаване на електрически разряди и високомощни лазери през тях⁹. Ако трябва да се смята, че РНК е инициаторът, тогава кога и как са се появили ДНК и протеините? Дали ДНК се е развила като генетичен материал по-късно поради нестабилната природа на РНК и протеините, последвали примера. Отговорите на всички тези въпроси все още остават без отговор.

В) Третият сценарий, че ДНК и РНК могат да съществуват съвместно в първичната супа, довела до произхода на живота, идва от проучвания, публикувани на 3^rd Юни 2020 г. от групата на Джон Съдърланд от лабораторията MRC в Кеймбридж, Великобритания. Изследователите симулираха условията, съществували на първичната Земя преди милиарди години, с плитки езера в лабораторията. Те първо разтварят химикали, които образуват РНК във вода, последвано от изсушаване и нагряване и след това ги подлагат на UV радиация, която симулира слънчевите лъчи, съществуващи в първичното време. Това не само доведе до синтеза на двата градивни блока на РНК, но и на ДНК, което предполага, че и двете нуклеинови киселини са съществували съвместно по време на възникване на живота¹⁰.

Въз основа на съвременните познания, съществуващи днес и почитащи централната догма на молекулярната биология, изглежда правдоподобно, че ДНК и РНК са съществували съвместно, което е довело до възникването на живота и образуването на протеини е дошло/възникнало по-късно.

Въпреки това, авторът желае да спекулира друг сценарий, при който всичките три важни биологични макромолекули, т.е. ДНК, РНК и протеин са съществували заедно в първичната супа. Разхвърляните условия, които съществуваха в първичната супа, включващи химическата природа на земната повърхност, вулканични изригвания и наличие на газове като амоняк, метан, въглероден оксид, въглероден диоксид заедно с вода, може да са били идеални за образуването на всички макромолекули. Намек за това е предоставен от изследване, извършено от Ferus et al., където нуклеазите се образуват в същата редуцираща атмосфера⁹ използвани в експеримента на Милър-Юри. Ако трябва да вярваме в тази хипотеза, тогава в хода на еволюцията различни организми са приели един или друг генетичен материал, който благоприятства тяхното съществуване.

Въпреки това, докато се опитваме да разберем произхода на формите на живот, са необходими много по-нататъшни изследвания, за да се отговори на фундаменталните и уместни въпроси за това как животът е възникнал и се разпространявал. Това би изисквало подход „извън кутията“, без да се разчита на каквито и да било предразсъдъци, въведени в нашето мислене от настоящите догми, следвани в науката.

***

Литература:

1. Милър С., 1953 г. Производство на аминокиселини при възможни примитивни земни условия. наука. 15 май 1953 г.: кн. 117, брой 3046, стр. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Пребиотична супа – преразглеждане на експеримента на Милър. Наука 02 май 2003 г.: кн. 300, брой 5620, стр. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Милър SL и Urey HC, 1959. Синтез на органични съединения на примитивната земя. Наука 31 юли 1959 г.: кн. 130, брой 3370, стр. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Кастинг JF, Хауърд MT. 2006. Състав и климат на атмосферата на ранната Земя. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Публикувано: 07 септември 2006 г. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Преоценка на пребиотичния органичен синтез в неутрални планетарни атмосфери. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Интервенционната последователност РНК на Tetrahymena е ензим. Наука 31 януари 1986 г.: том. 231, брой 4737, стр. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Рибозим-катализирана транскрипция на активен рибозим. Наука 08 апр: бр. 332, брой 6026, стр. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Синтез на активирани пиримидинови рибонуклеотиди в пребиотично приемливи условия. Природа 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Образуване на нуклеобази в редуцираща атмосфера на Miller-Urey. PNAS 25 април 2017 г. 114 (17) 4306-4311; Публикувано за първи път на 10 април 2017 г. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Селективно пребиотично образуване на РНК пиримидин и ДНК пуринови нуклеозиди. Природа 582, 60–66 (2020). Публикувано: 03 юни 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***