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

„Няколко въпроса относно произхода на живота са получили отговор, но остава много да се проучи“, казаха Стенли Милър и Харолд Юри още през 1959 г., след като докладваха за лабораторен синтез на аминокиселини в първобитни земни условия. Има много напредък по линията, но учените отдавна се борят с един фундаментален въпрос – кой генетичен материал се е образувал първо на първобитната земя, ДНК or РНК, или по малко от двете? Сега има доказателства, които предполагат това ДНК намлява РНК и двете 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. Протеини 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, протеини са произведени от информацията, съдържаща се в ДНК който се превръща във функционален протеин чрез месинджър, наречен РНК. Въпреки това е възможно, че протеини сами могат да оцелеят независимо без никакви ДНК or РНК, какъвто е случаят с прионите (неправилно нагънати протеин молекули, които не съдържат ДНК or РНК), но могат да оцелеят сами.

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

А) Ако протеини или неговите градивни елементи са били в състояние да се образуват абиотично по време на атмосферата, която е съществувала преди милиарди години в първичната супа, протеини може да се определи 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 през 1959 г. от Стенли Милър и Харолд Юри, заявявайки, че наличието на редуцираща атмосфера в първичната земя е довело до синтеза на органичен съединения в присъствието на гореспоменатите газове плюс по-малки количества въглероден оксид и въглероден диоксид. Уместността на експериментите на Милър-Юри беше поставена под въпрос от научното братство в продължение на няколко години, които смятаха, че газовата смес, използвана в техните изследвания, е твърде редуцираща по отношение на условията, съществували на първичната Земя. Редица теории сочат към неутрална атмосфера, съдържаща излишък от CO2 с N2 и водни пари⁴. Въпреки това, неутралната атмосфера също е идентифицирана като правдоподобна среда за синтеза на аминокиселини⁵. Освен това за протеини за да действат като източници на живот, те трябва да се самовъзпроизвеждат, което води до комбинация от различни протеини да се погрижи за различни реакции, протичащи в организма.

Б) Ако първичната супа осигурява условия за градивни елементи на ДНК и / или РНК да се формира, тогава всяко от тях може да е генетичен материал. Изследванията до момента са в полза на 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, способен да направи повече РНК молекули. Редица самовъзпроизвеждащи се РНК ензими⁷ са открити през годините, което предполага РНК да бъде изходен генетичен материал. Това беше допълнително подсилено от изследването, извършено от групата на Джон Съдърланд, което доведе 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 източникът, тогава кога и как го е направила ДНК и се появяват протеините? Направих ДНК се развива като генетичен материал по-късно поради нестабилната природа на РНК и протеините последваха 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, Обединеното кралство. Изследователите симулираха условията, които са съществували на първичната Земя преди милиарди години, с плитки езера в лабораторията. Те първо разтвориха химикали, които се образуват РНК във вода, последвано от изсушаване и нагряване и след това подлагането им на UV радиация, която симулира слънчевите лъчи, съществуващи в първичното време. Това не само доведе до синтеза на двата градивни елемента на РНК но и на ДНК, което предполага, че и двете нуклеинови киселини са съществували едновременно по време на възникването 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. Nature 582, 60–66 (2020). Публикувано: 03 юни 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***