Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Для решения этой проблемы было предложено два остроумных способа, причем предложено одним и тем же человеком – студентом Тинг Чжу. В 2009 году он и Шостак получили протоклетки, которые имели несколько слоев мембран и потому напоминали луковицы^[468]. Когда им “скармливали” липиды, они превращались в более крупные вытянутые цепочки. Такие цепочки оказались хрупкими, поэтому даже небольшое движение окружающего раствора разрушало их, создавая десятки новых протоклеток, сохраняющих при этом свое содержимое. А спустя три года Чжу придумал и второй способ^[469]: сначала везикулам-“сосискам” давали определенные небольшие молекулы, а потом подвергали везикулы действию света. Это запускало химические реакции, из-за которых везикулы начинали делиться. Так что протоклетки, способные к независимым росту и делению, теперь не кажутся чем-то нереальным^[470].

Добиться саморепликации РНК в составе таких протоклеток оказалось посложнее – ведь надо было обойтись без сложного фермента. При этом нуклеотидам предстояло выстроиться в ряд вдоль имеющейся молекулы РНК и соединиться, образовав новую цепочку. Орджел и другие исследователи сражались с проблемой такой “неферментной репликации” еще с 1980-х годов. Теперь же Шостаку предстояло добиться этого внутри протоклетки.

Он и его студентка Катажина (Кейт) Адамала вплотную занялись этим вопросом в 2012 году. Сложностей на их пути могло возникнуть множество: например, нуклеотиды норовят иногда присоединиться к РНК не той стороной^[471]. И тем не менее уже на следующий год были получены первые результаты^[472].

Ученые знали, что РНК копирует себя быстрее в присутствии ионов магния. Это выглядит правдоподобно: магний относится к распространенным элементам. Но, к сожалению, он также разрушает липидную мембрану протоклеток. Адамала и Шостак решили эту проблему, добавив цитрат – соединение, которое очень похоже на лимонную кислоту из лимонов. Цитрат присутствует во всех живых организмах, а в этом опыте он требовался для связывания магния. Благодаря цитрату магний мог ускорять копирование РНК, не нарушая при этом структуру протоклеток. В итоге сочетание магния и цитрата сделало возможным саморепликацию РНК в липидной упаковке.

Позже оказалось, что железо ускоряет самокопирование РНК даже лучше, чем магний. Это в 2018 году выяснил Шостак в ходе своей совместной – с Адамала (к тому времени уже возглавлявшей собственную лабораторию) и еще несколькими коллегами – работы^[473]. Такой факт особенно воодушевляет, если учесть, что ученые предполагают в океанах молодой Земли обилие железа. Сейчас его меньше, поскольку в реакции с ним активно вступает кислород из атмосферы, – но, как мы помним, исходно кислорода на Земле не было.

Важно отметить, что РНК в протоклетках – это еще не гены. В отличие от нуклеиновых кислот в современных организмах, такие РНК ничего не кодируют. Однако весь смысл последовательности РНК состоит именно в неких записанных в ней полезных свойствах. Так вот: у протоклеток Шостака есть РНК, но нет генов. Это, разумеется, не лишает эксперименты Шостака ценности – ведь находящаяся на своем месте РНК позднее может измениться и начать что-то кодировать. Вот и специалист в области пребиотической химии Джон Сазерленд (см. главу 14) утверждает, что первая успешная репликация РНК без ферментов в протоклетках Шостака – это одно из самых больших достижений науки о зарождении жизни за много лет^[474]. “Он добился потрясающего прогресса, – говорит Сазерленд. – Я считаю это настоящим прорывом”^[475].

Однако не все полагают эти эксперименты убедительными. Такие критики любят вспоминать, что – несомненно впечатляющие – протоклетки все же вряд ли могут образоваться сами по себе, поскольку для их получения нужны химические реактивы в чистом виде, а на древней Земле имелись лишь сотни перемешанных между собой различных соединений. В ответ команда Шостака представила доказательства того, что смесь липидов также может образовывать протоклетки, причем делает это даже легче^[476].

Верно также и то, что протоклетки не имеют ничего похожего на метаболизм. Хотя они способны расти, вбирая в себя находящиеся вокруг них липиды, они не умеют перерабатывать химические вещества или создавать новые.