Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни

Но в отсутствии двойной спирали есть и плюсы. Поскольку цепь РНК не существует в виде двойной спирали и отделяется от родительской цепи сразу после формирования, она, как и белок, способна скручиваться в узлы. Подобно тому, как белок скручивается благодаря химическому сродству аминокислот в разных участках одной цепи, РНК формирует узлы согласно обычным правилам комплементарности Уотсона и Крика. Иными словами, в отсутствие комплементарной цепи двойной спирали, как в случае ДНК, РНК может свободно спариваться с комплементарными участками самой себя. РНК находит у себя короткие участки, с которыми она может спариваться, образуя либо миниатюрную двойную спираль, либо иную структуру. Правила комплементарности требуют, чтобы направленность этих участков была противоположной. Поэтому цепь РНК часто сворачивается в ряд шпилек.

Разнообразие трехмерных форм, в которые может сворачиваться молекула РНК, не так велико, как разнообразие форм какого-нибудь крупного белка. Но и этого вполне достаточно, чтобы РНК могла выполнять ферментативные функции. Выявлено много ферментов РНК, названных рибозимами. Итак, у РНК есть некоторые репликативные свойства ДНК и некоторые ферментативные свойства белков. Возможно, до появления ДНК (архаичного репликатора) и белков (архаичных катализаторов) функции и тех, и других выполняла РНК. Позднее она стала синтезировать белки. Белки, в свою очередь, стали помогать синтезировать РНК, а потом и ДНК, которая в итоге стала выполнять функцию главного репликатора.

Теория “мира РНК” получила косвенное подтверждение в ряде замечательных экспериментов, который провел Сол Шпигельман из Колумбийского университета, а позднее в различных вариантах повторили другие ученые. В экспериментах Шпигельмана использовался белковый фермент – что, конечно, можно счесть нечестным, однако результаты были настолько впечатляющими и прояснили столько важных звеньев теории “мира РНК”, что того стоили.

Сначала об истории вопроса. Существует вирус QP. Это вирус РНК – то есть вместо ДНК его гены состоят из РНК. Для репликации этой РНК вирус использует фермент Q-репликазу. В “диком” виде QP является бактериофагом – паразитом кишечной бактерии Escherichia coll. Бактериальная клетка решает, что РНК вируса QP – часть ее собственной информационной РНК, и ее рибосомы обрабатывают чужую РНК точно так, как и собственную. Однако белки, которые при этом образуются, полезны вирусу, но не бактерии-хозяину. Таких белков четыре: белок оболочки, нужный для защиты вируса; клейкий белок для прикрепления к бактериальной клетке; так называемый фактор репликации, о котором я расскажу ниже; белок-бомба, который разрушает бактериальную клетку после того, как вирус закончил реплицироваться, и высвобождает десятки тысяч вирусных частиц, каждая из которых будет блуждать в своей белковой оболочке, пока не встретит новую бактериальную клетку.

Я обещал рассказать о факторе репликации. Это не фермент Q-репликаза, он меньше и проще. Этот небольшой вирусный ген отвечает за синтез белка, “сшивающего” три других белка, которые бактерия синтезирует для своих (совершенно иных) нужд. Вместе три белки образуют Q-репликазу.

Шпигельман смог изолировать в этой системе всего два компонента: Q-репликазу и Q-РНК. Он поместил их в воду вместе с некоторыми низкомолекулярными веществами – строительными элементами для синтеза РНК – и принялся ждать. РНК захватывала маленькие молекулы и синтезировала собственные копии согласно правилам комплементарности Уотсона и Крика. Причем она справлялась с этим без помощи бактерии-хозяина, белковой оболочки или какой-либо иной части вируса, что само по себе любопытно. Заметьте, что синтез белка, который в естественных условиях является одной из обычных функций РНК, был полностью изъят из цикла. Мы получили голую систему репликации РНК, создающую свои копии, не утруждаясь синтезом белков.

И тут Шпигельман в искусственном мире – в пробирке, в отсутствие каких-либо клеток – запустил действующую модель эволюции. Его экспериментальная установка представляла собой длинный ряд пробирок, содержащих Q-репликазу и строительные элементы, не содержащих РНК. В первую пробирку он поместил небольшое количество Q-РНК, и она послушно синтезировала множество своих копий. Взяв каплю полученной жидкости, Шпигельман поместил ее во вторую пробирку. Эта “затравочная” РНК принялась реплицироваться во второй пробирке, и через некоторое время Шпигельман извлек оттуда каплю жидкости и перенес в третью пробирку. И так далее. Похоже на то, как искра, воспламеняя сухую траву, приводит к появлению нового костра. Однако огонь не наследует качеств искры, а молекулы РНК у Шпигельмана это делали. И это позволило добиться эволюции путем естественного отбора в ее самой простой форме.