Ученые создали РНК, которая эволюционирует сама по себе. Возможно, так зародилась жизнь на Земле

Мы только что получили новые доказательства того, что жизнь на Земле, возможно, началась с РНК: ученые из Японии создали РНК, способную самостоятельно реплицироваться, диверсифицироваться и развивать сложность.

Задолго до того, как на Земле появились первые зарождающиеся клетки первобытной жижи, она была наполнена бурлящим органическим супом, который стоял на пороге чего-то глубокого.

Эта тонкая грань между сложной химией и эволюцией жизни представляет собой поворотный момент в возникновении биологии. К сожалению, при всей его важности, мы знаем очень мало подробностей о том, как именно это произошло.

Эксперимент, проведенный учеными из Токийского университета, укрепил мнение о том, что уникальные таланты РНК позволяют объяснить, как миллиарды лет назад зародилась жизнь, подкрепив так называемую гипотезу "мира РНК".

Но исследование также показывает, что все могло произойти не совсем так, как мы думали.

Их работа показывает, как молекула, которая и сегодня имеет решающее значение для выживания и размножения каждого живого существа, может прокладывать себе путь к эволюционирующей системе, если она работает в команде.

"Мы обнаружили, что один вид РНК эволюционировал в сложную систему репликации: сеть репликаторов, состоящую из пяти типов РНК с разнообразными взаимодействиями, что подтверждает правдоподобность давно предполагаемого сценария эволюционного перехода", - говорит биолог-эволюционист Рио Мизуучи.

Жизнь состоит из молекул, которые могут создавать несовершенные копии самих себя, создавая практически безграничную популяцию вариантов, которые могут (или не могут) держаться вместе достаточно долго, чтобы создать свои копии.

Поиск происхождения жизни, по сути, был охотой за кандидатами, которые могут выполнять эту задачу репликации без вспомогательного состава высокоспециализированных органических материалов, таких как ДНК или белки.

РНК уже давно является лидером в этом поиске. Она повсеместно распространена в современной биосфере, могла существовать на древней Земле в результате небиологических процессов, способна сохранять большой объем информации и действовать как динамическая физическая единица.

Это означает, что он потенциально может создавать структуры, которые физически могут строить новые молекулы, которые, в свою очередь, могут создавать новые структуры. Если этот процесс несовершенен, то некоторые структуры-"репликаторы" будут выполнять свою работу быстрее или эффективнее других, становясь доминирующей формой РНК... по крайней мере, пока не появится что-то еще более совершенное.

Какой бы заманчивой ни была эта идея, мы уже несколько десятилетий знаем, что самоорганизующиеся единицы отдельных молекул РНК слишком просты и нестабильны для такого сценария. Даже ее дезоксигенированная родная сестра, ДНК, не обладает достаточной прочностью, чтобы удерживать себя вместе достаточно долго для того, чтобы естественный отбор начал свою работу.

Это не означает, что несколько нитей, действующих как единая команда, не могут выполнить эту работу. Наличие нескольких различных репликативных единиц, действующих на уровне популяции, может легко решить эту информационную проблему.

Различные репликаторы были разработаны на основе РНК, ДНК и даже белков, чтобы показать, как это может работать, причем исследователи приложили все усилия, чтобы встроить функциональность, позволяющую молекулярным структурам сотрудничать и создавать копии с подходящей скоростью.

Хотя они могут поддерживать репликацию, до сих пор ни одна из них не становилась более сложной со временем, что оставляет открытым вопрос о том, способна ли РНК эволюционировать.

Команда Мидзуути подобрала правильную конструкцию молекул РНК для создания отдельных молекул-репликаторов, которые могут действовать коллективно, не только сохраняя информацию и изменяясь со временем, но и делая это таким образом, что решение усложняется с каждым последующим поколением.

В эксперименте использовались клонированные отрезки РНК в капельках воды, взвешенных в масле, которые прошли более сотни раундов репликации, причем каждый раунд проверялся и анализировался.

"Честно говоря, мы изначально сомневались, что такие разнообразные РНК могут эволюционировать и сосуществовать", - говорит Мизуучи.

В эволюционной биологии "принцип конкурентного исключения" гласит, что несколько видов не могут сосуществовать, если они конкурируют за одни и те же ресурсы. Это означает, что для устойчивой диверсификации молекулы должны найти способ использовать различные ресурсы один за другим. Это всего лишь молекулы, поэтому мы задались вопросом, возможно ли, чтобы неживые химические виды спонтанно разрабатывали такие инновации".

Доказательство концепции показывает, что это возможно, если только РНК не конкурируют друг с другом за ресурсы, а полагаются друг на друга, как хозяин и паразит. Если удалить хотя бы один РНК-репликатор, остальные вымрут.

Хотя мы можем быть более уверены в правдоподобности сценария "мира РНК", он не позволяет доказать, что именно таким образом миллиарды лет назад на Земле расцветала жизнь. Для этого нам потребуется множество доказательств, от геологии до астрофизики, чтобы создать убедительное доказательство.

Тем не менее, это серьезный шаг вперед в поисках химических моделей эволюции, способных превратить первобытную жижу в ослепительное биоразнообразие, которое продолжает усложняться и по сей день.

Данное исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.