Hypotéza světa RNA

Svět RNA  je hypotetickým stádiem vzniku života na Zemi , kdy soubory molekul ribonukleové kyseliny plnily jak funkci ukládání genetické informace, tak katalyzující chemické reakce . Následně z jejich asociací vznikl moderní DNA - RNA - proteinový život, izolovaný membránou od vnějšího prostředí. Myšlenku světa RNA poprvé vyjádřil Carl Woese v roce 1968 , později ji rozvinul Leslie Orgel a nakonec ji zformuloval Walter Gilbert v roce 1986 .

V 21. století nachází hypotéza stále více potvrzení.

Shrnutí

V živých organismech probíhají téměř všechny procesy hlavně díky enzymům bílkovinné povahy. Proteiny se však nemohou samy replikovat a jsou syntetizovány de novo v buňce na základě informací uložených v DNA . K duplikaci DNA však dochází pouze díky účasti proteinů a RNA. Vzniká začarovaný kruh, kvůli kterému bylo v rámci teorie spontánního generování života nutné uznat potřebu nejen abiogenní syntézy obou tříd molekul, ale také samovolného vzniku komplexu systém jejich propojení.

Počátkem 80. let byla v laboratoři T. Cheka a S. Altmana v USA objevena katalytická schopnost RNA. Analogicky s enzymy ( anglicky  enzyme ) byly katalyzátory RNA nazývány ribozymy , za jejich objev byl Thomas Check oceněn v roce 1989 Nobelovou cenou za chemii . Navíc se ukázalo, že aktivní centrum ribozomů obsahuje velké množství rRNA . RNA jsou také schopny vytvořit dvojvlákno a samy se replikují [1] .

RNA by tedy mohla existovat zcela autonomně, katalyzovat „metabolické“ reakce, například syntézu nových ribonukleotidů a samoreprodukující se, zachovávající si katalytické vlastnosti z „generace“ na „generaci“. Hromadění náhodných mutací vedlo ke vzniku RNA, které katalyzují syntézu určitých proteinů, které jsou účinnějším katalyzátorem, a proto byly tyto mutace v průběhu přirozeného výběru fixovány. Na druhé straně se objevila specializovaná úložiště genetické informace, DNA. Mezi nimi byla zachována RNA jako prostředník.

Role RNA v moderním světě

Stopy světa RNA zůstaly v moderních živých buňkách a RNA se podílí na kritických procesech buněčného života:

1. Hlavním energetickým nosičem v buňkách - ATP  - je ribonukleotid , nikoli deoxyribonukleotid .
2. Biosyntéza proteinů se téměř výhradně provádí pomocí různých typů RNA:
   • messenger RNAs jsou templátem pro syntézu proteinů v ribozomech ;
   • přenosové RNA dodávají aminokyseliny do ribozomů a implementují genetický kód ;
   • ribozomální RNA je aktivní centrum ribozomů, které katalyzuje tvorbu peptidové vazby mezi aminokyselinami.
3. RNA je také kritická pro replikaci DNA :
   • RNA "seed" ( primer ) je potřeba k zahájení procesu duplikace DNA ;
   • pro nekonečnou duplikaci DNA, neomezenou Hayflickovým limitem , v eukaryotických buňkách jsou koncové úseky chromozomů ( telomery ) neustále obnovovány enzymem telomeráza , který obsahuje templát RNA.
4. Během reverzní transkripce se informace z RNA přepisují do DNA.
5. Proces zrání RNA využívá různé RNA nekódující proteiny , včetně malých jaderných RNA , malých nukleolárních RNA .

Mnoho virů navíc ukládá svůj genetický materiál ve formě RNA a dodává infikované buňce RNA-dependentní RNA polymerázu pro její replikaci.

Abiogenní syntéza RNA

Abiogenní syntéza RNA z jednodušších sloučenin nebyla dosud experimentálně plně prokázána. V roce 1975 Manfred Sumper  a Rudiger Luce v Eigenově laboratoři  prokázali , že ve směsi obsahující vůbec žádnou RNA, ale obsahující pouze nukleotidy a Qβ-replikázu , za určitých podmínek samoreprodukující se RNA [2] .

V roce 2009 se skupině vědců z University of  Manchester pod vedením Johna Sutherlanda podařilo prokázat možnost syntézy uridinu a cytidinu s vysokou účinností a stupněm fixace výsledku reakce (a také s možností akumulace konečných produktů) v podmínkách rané Země [3] [ 4] . Přitom abiogenní syntéza purinových bází byla prokázána již poměrně dávno [5] , ale syntéza adenosinu a guanosinu v podmínkách rané Země byla prokázána pouze v neefektivní variantě [4] .

V roce 2016 byla publikována studie ukazující možnost syntetizovat všechny 4 ribonukleotidy z formamidu [6] .

V roce 2017 byla prokázána možnost samosestavení uridinu z ribózy, uracilu a kyseliny fosforečné [7] .

V roce 2019 byla ribóza objevena v meteoritech mezi cukry mimozemského původu, což potvrzuje předpoklad její dostupnosti na starověké Zemi. Nejpravděpodobnější cestou pro syntézu takových cukrů je Butlerovova reakce . Ve stejných meteoritech zároveň chybí deoxyribóza , což ukazuje na pravděpodobnější syntézu RNA než DNA [8] .

V roce 2022 byla nalezena nová a velmi jednoduchá verze abiogenní syntézy řetězců RNA. Bylo zjištěno, že když směs nukleotidů prosakuje vulkanickým sklem , spontánně se tvoří dlouhé (až 100–200 jednotek) řetězce RNA. Vědcům se tak nakonec podařilo najít celkem jednoduchý způsob přeměn, počínaje elementárními organickými molekulami, které se nacházejí i ve vesmíru, a konče poměrně dlouhými řetězci nukleových kyselin světové RNA, předchůdců proto-života schopných darwinovské evoluce [9] .

Evoluce RNA

Schopnost molekul RNA se vyvíjet byla jasně prokázána v řadě experimentů. Ještě před objevem katalytické aktivity RNA prováděli takové experimenty Leslie Orgel a kolegové v Kalifornii. Do zkumavky s RNA přidali ethidium bromid , jed, který inhibuje syntézu RNA. Nejprve byla rychlost syntézy zpomalena jedem, ale asi po devíti „generacích ze zkumavky“ evoluce bylo přírodním výběrem vyšlechtěno nové plemeno RNA odolné vůči jedu. Postupným zdvojnásobením dávek jedu bylo vyšlechtěno plemeno RNA, které bylo odolné vůči jeho velmi vysokým koncentracím. Celkem se v experimentu vyměnilo 100 generací zkumavek (a mnohem více generací RNA, protože se generace vyměnily uvnitř každé zkumavky). Přestože v tomto experimentu byla RNA replikáza přidána do roztoku samotnými experimentátory, Orgel zjistil, že RNA jsou také schopné spontánního sebe-kopírování bez přidání enzymu, i když mnohem pomaleji.

Další experiment byl později proveden v laboratoři německé školy Manfreda Eigena. Objevil spontánní tvorbu molekuly RNA ve zkumavce se substrátem a replikázou RNA. Vznikla postupně rostoucí evolucí. [deset]

Po objevu katalytické aktivity RNA (ribozymů) byl jejich vývoj v počítačem řízeném automatizovaném zařízení pozorován v experimentech Briana Pegela a Geralda Joyce ze Scripps Research Institute v Kalifornii v roce 2008. Faktorem hrajícím roli selekčního tlaku byl omezený substrát, který zahrnoval oligonukleotidy, které ribozym rozpoznal a navázal na sebe, a nukleotidy pro syntézu RNA a DNA. Při stavbě kopií někdy docházelo k defektům - mutacím - ovlivňujícím jejich katalytickou aktivitu (pro urychlení procesu byla směs několikrát mutována pomocí polymerázové řetězové reakce za použití "nepřesných" polymeráz). Molekuly byly vybrány na tomto základě: nejrychleji zkopírované molekuly začaly v médiu rychle převládat. Poté se odstranilo 90 % směsi a místo toho se přidala čerstvá směs se substrátem a enzymy a cyklus se znovu opakoval. Po dobu 3 dnů se katalytická aktivita molekul zvýšila 90krát v důsledku pouhých 11 mutací. [11] [12]

Tyto experimenty dokazují, že první molekuly RNA nemusely mít dostatečně dobré katalytické vlastnosti. Vyvinuly se později v průběhu evoluce pod vlivem přírodního výběru.

V roce 2009 kanadští biochemici z Montrealské univerzity K. Bokov a S. Steinberg, kteří studovali hlavní složku ribozomu bakterie Escherichia coli , molekulu 23S-rRNA, ukázali, jak by se mechanismus syntézy proteinů mohl vyvinout z relativně malých a jednoduché ribozymy . Molekula byla rozdělena do 60 relativně nezávislých strukturních bloků, z nichž hlavním je katalytické centrum (centrum peptidyltransferázy, PTC, centrum peptidyltransferázy), odpovědné za transpeptidaci (tvorbu peptidové vazby ). Bylo ukázáno, že všechny tyto bloky mohou být postupně oddělovány od molekuly bez zničení její zbývající části, dokud nezůstane pouze jedno transpeptidační centrum. Zachovává si však schopnost katalyzovat transpeptidaci. Pokud je každá vazba mezi bloky molekuly znázorněna jako šipka směřující z bloku, který není zničen při oddělení k bloku, který je zničen, pak takové šipky netvoří jediný uzavřený kruh. Pokud by byl směr spojení náhodný, pravděpodobnost, že k tomu dojde, by byla menší než jedna ku miliardě. Proto tato povaha vazeb odráží posloupnost postupného přidávání bloků v procesu evoluce molekuly, kterou vědci dokázali detailně rekonstruovat. Na počátku života tak mohl stát relativně jednoduchý ribozym, PTC centrum molekuly 23S-rRNA, ke kterému se pak přidávaly nové bloky zlepšující proces syntézy proteinů. Samotný PTC se skládá ze dvou symetrických laloků, z nichž každý drží CCA' ocas jedné molekuly tRNA . Předpokládá se, že taková struktura vznikla v důsledku duplikace (zdvojení) jedné původní čepele. Funkční RNA ( ribozymy ) schopné katalyzovat transpeptidaci byly získány umělou evolucí. Struktura těchto uměle odvozených ribozymů je velmi blízká struktuře protoribozomu, kterou autoři „vypočítali“. [13] [14]

Vlastnosti objektů světa RNA

Existují různé předpoklady o tom, jak vypadaly samoreplikující RNA systémy. Nejčastěji se předpokládá potřeba RNA-agregujících membrán nebo umístění RNA na povrchu minerálů a v pórovém prostoru sypkých hornin. V 90. letech A. B. Chetverin a spolupracovníci prokázali schopnost RNA vytvářet molekulární kolonie na gelech a pevných substrátech, když vytváří podmínky pro replikaci. Docházelo k volné výměně molekul, které si při srážce mohly vyměňovat plochy, což bylo experimentálně prokázáno. Celý soubor kolonií se v souvislosti s tím rychle vyvíjel [15] .

Po vzniku syntézy proteinů se úspěšněji rozvíjely kolonie, které mohly vytvářet enzymy. Ještě úspěšnější byly kolonie, které vytvořily spolehlivější mechanismus pro ukládání informací do DNA a nakonec byly od vnějšího světa odděleny lipidovou membránou, která bránila rozptylu jejich molekul.

Obtíže

Prebiotické modely, které vytvářejí nukleotidy , jsou neslučitelné s podmínkami potřebnými pro tvorbu cukrů (kvůli vysoké koncentraci formaldehydu ). Musí se tedy syntetizovat na různých místech a poté přenést na jedno místo. Ve vodě však nereagují. Bezvodé reakce snadno spojují puriny s cukry, ale pouze 8 % z nich spojuje správný atom uhlíku na cukru se správným atomem dusíku na dusíkaté bázi. Pyrimidiny však nereagují s ribózou ani za bezvodých podmínek.

Kromě toho jsou fosfáty nezbytné pro syntézu v přírodě extrémně vzácné, protože se snadno srážejí. Po zavedení fosfátu se tento musí rychle spojit se správnou hydroxylovou skupinou nukleotidu.

Aby nukleotidy vytvořily RNA, musí být samy aktivovány. Aktivované purinové nukleotidy tvoří malé řetězce na existujícím templátu pyrimidinové RNA, ale tento proces nefunguje obráceně, protože pyrimidinové nukleotidy nepolymerizují tak snadno.

Kromě toho musí být všechna ribóza stejného typu stereoizomeru, protože jakýkoli nukleotid nesprávné chirality působí jako terminátor řetězce.

Podle kritiků hypotézy světa RNA (například A. Caines-Smith) by proces budování nukleových kyselin vyžadoval synchronizaci příznivých podmínek a událostí. Navíc tato synchronizace musí být dostatečně dlouhá v čase (přes miliony let), aby se vytvořilo dostatečné množství potřebných látek.

Přesto byly v roce 2009 syntetizovány dva pyrimidinové ribonukleotidy bez tvorby meziproduktů (ribóza a dusíkatá báze), ale vznikly další meziprodukty (arabinóza a nukleosidový anhydrid ). V roce 2016 se ukázalo, že je možné syntetizovat zbývající purinové nukleotidy: adenin a guanin a kombinovat je s ribózou. Dosud však nebylo stanoveno, jak může probíhat přidávání fosfátového zbytku.

Pre-RNA světy

Biochemik R. Shapiro kritizuje hypotézu světa RNA a věří, že pravděpodobnost spontánního vzniku RNA s katalytickými vlastnostmi je velmi nízká. Místo hypotézy „na počátku byla RNA“ navrhuje hypotézu „na počátku byl metabolismus“, tedy vznik komplexů chemických reakcí – analogů metabolických cyklů – za účasti nízkomolekulárních sloučenin. vyskytující se uvnitř kompartmentů  - prostorově omezených spontánně vytvořenými membránami nebo jinými fázovými hranicemi - oblastí. Tento koncept je blízký koacervátní hypotéze abiogeneze navržené AI Oparinem v roce 1924 [16] .

Další hypotéza abiogenní syntézy RNA, navržená k vyřešení problému nízké odhadované pravděpodobnosti syntézy RNA, je hypotéza světa polyaromatických uhlovodíků , navržená v roce 2004 a navrhující syntézu molekul RNA na základě hromady polyaromatických kruhů.

Ve skutečnosti obě hypotézy "pre-RNA světů" neodmítají hypotézu světa RNA, ale modifikují ji, postulujíce počáteční syntézu replikujících se makromolekul RNA v primárních metabolických kompartmentech nebo na povrchu asociátů, tlačících "RNA" svět“ do druhé fáze abiogeneze .

Akademik Ruské akademie věd A. S. Spirin se domnívá, že svět RNA se na Zemi nemohl objevit a existovat, a zvažuje možnost mimozemského (především na kometách) původu a vývoje světa RNA [17] .

Viz také

• Vznik života
• Chemická evoluce
• Nukleoproteiny
• Peptido nukleové kyseliny

Poznámky

1. ↑ Johnston, W. RNA-katalyzovaná RNA polymerizace  : přesná a obecná RNA-templated primer extension: [ angl. ]  / W. Johnston, P. Unrau, M. Lawrence … [ et al. ] // Věda : j. - 2001. - Sv. 292, č.p. 5520. - S. 1319-1325. - doi : 10.1126/science.1060786 . — PMID 11358999 .
2. ↑ Sumper, M. Evidence for De Novo Production of Self-replikating and Environmentally Adapted RNA Structures by Bacteriophage Qβ Replicase  : [ eng. ]  / M. Sumper, R. Luce // Proceedings of the National Academy of Science USA. - 1975. - Sv. 72, č.p. 1 (leden). - S. 162-166. - doi : 10.1073/pnas.72.1.162 . — PMID 1054493 . — PMC 432262 .
3. ↑ Powner, MW Syntéza aktivovaných pyrimidinových ribonukleotidů v prebioticky přijatelných podmínkách : [ eng. ]  / MW Powner, B. Gerland, JD Sutherland // Příroda. - 2009. - Sv. 459, č.p. 7244 (14. května). - S. 239-42. - doi : 10.1038/nature08013 . — PMID 19444213 .
4. ↑ 1 2 Markov, Alexandr. Chemici překonali hlavní překážku na cestě k abiogenní syntéze RNA // Elements: [website]. - 2009. - 18. května.
5. ↑ Yuasa, S. Abiotická syntéza purinů a dalších heterocyklických sloučenin působením elektrických výbojů : [ eng. ]  / S. Yuasa, D. Flory, B. Basile … [ et al. ] // Journal of Molecular Evolution. - 1984. - Sv. 21, č. 1. - S. 76-80. — ISSN 0022-2844 . - doi : 10.1007/bf02100630 . — PMID 6442361 .
6. ↑ Šponer, Judit E. Vznik prvních katalytických oligonukleotidů ve scénáři původu založeného na formamidu: [ eng. ]  / Judit E. Šponer, Jiří Šponer, Olga Nováková … [ et al. ] // Chemie : J. - 2016. - Sv. 22, č. 11. - S. 3572-3586. - doi : 10.1002/chem.201503906 . — PMID 26807661 .
7. ↑ Nam, I. Abiotická produkce fosfátů cukrů a uridin ribonukleosidu ve vodných mikrokapkách: [ eng. ]  / I. Nam, J. Lee, HG Nam … [ et al. ] // Proceedings of the National Academy of Science USA. - 2017. - Sv. 114, č.p. 47 (21. listopadu). - S. 12396-12400. - doi : 10.1073/pnas.1714896114 . — PMID 29078402 . — PMC 5703324 .
8. ↑ Vlasov, Kirill. Cukr z meteoritu Murchison je mimozemského původu  // Elements. - 2019. - 20. prosince. — Datum přístupu: 21. 12. 2019.
9. ↑ Katalytická syntéza polyribonukleové kyseliny na prebiotických skalních sklech | Astrobiologie . Získáno 5. června 2022. Archivováno z originálu 5. června 2022. (neurčitý)
10. ↑ Richard Dawkins. Slepý hodinář. Kapitola 5 "Moc nad minulostí a budoucností." . Získáno 16. listopadu 2012. Archivováno z originálu 19. července 2011. (neurčitý)
11. ↑ Elements Science News: Počítačem řízená evoluce . Datum přístupu: 7. ledna 2013. Archivováno z originálu 16. ledna 2013. (neurčitý)
12. ↑ Poznámka „Evoluce podle řádu“ o experimentálním studiu evoluce RNA . Získáno 15. listopadu 2012. Archivováno z originálu dne 24. dubna 2013. (neurčitý)
13. ↑ Prvky - vědecké novinky: Je záhada původu ribozomů vyřešena? . Získáno 15. listopadu 2012. Archivováno z originálu dne 20. září 2012. (neurčitý)
14. ↑ Markov, A. V. Ch. 1. Vznik života  // Zrození složitosti: Evoluční biologie dneška: nečekané objevy a nové otázky. — M  .: Astrel: CORPUS, 2010. — S. 60. — 248 s. - (Prvky). - ISBN 978-5-17-084031-1 .
15. ↑ Chetverina HV, Chetverin AB Klonování molekul RNA in vitro  // Nucleic Acids Res  . : deník. - 1993. - Květen ( roč. 21 , č. 10 ). - str. 2349-2353 . — PMID 7685078 .
16. ↑ Shapiro R. At the origins of life // In the world of science (ruské vydání Scientific American ), č. 10, 2007. S. 21-29
17. ↑ A. S. Spirin Kdy, kde a za jakých podmínek by mohl vzniknout a vyvinout se svět RNA? Archivováno 5. září 2014 na Wayback Machine // Journal of Paleontology. - č. 5. - str.11-19

Literatura

• Grigorovič S. Byla na začátku RNA? Při hledání molekuly prapůvodního života // Science and Life, č. 2 (2004) Archivováno 10. února 2007 ve Wayback Machine
• Kritsky M.S., Telegina T.A. Koenzymy a evoluce světa RNA  // Pokroky v biologické chemii. - 2004. - T. 44 . - S. 341-364 . Archivováno z originálu 19. října 2016.
• Spirin A. S. Ribonukleové kyseliny jako centrální článek živé hmoty Archivní kopie z 5. března 2016 na Wayback Machine // Bulletin Ruské akademie věd , vol. 73, č. 2, str. 117-127 (2003)
• Spirin A. S. Biosyntéza proteinů, svět RNA a původ života Archivní kopie z 29. května 2015 na Wayback Machine
• Chek Thomas R. RNA - enzym Archivováno 3. února 2011 na Wayback Machine // Ve světě vědy (ruské vydání Scientific American ), 1987, č. 1
• Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts C., Watson J. Cell Evolution Archived 12. listopadu 2010 ve Wayback Machine / Molecular Biology of the Cell, ve 3 svazcích, 2. vydání, — M .: Mir, 1994.

Odkazy

• Syntetizoval hlavní základ života na Zemi

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online)