ДНК и РНК могли появиться вместе до того, как на Земле началась жизнь
Ученые впервые обнаружили убедительные доказательства того, что РНК и ДНК могли возникать из одного и того же набора молекул-предшественников еще до того, как жизнь эволюционировала на Земле около четырех миллиардов лет назад.
Открытие, опубликованное 1 апреля в журнале Nature Chemistry , предполагает, что первые живые существа на Земле могли использовать как РНК, так и ДНК, как это делают все формы жизни наоснове клеток . Напротив, превалирующая научная точка зрения — гипотеза «мира РНК» — это то, что формы ранней жизни основывались исключительно на РНК, и лишь позднее эволюционировали для создания и использования ДНК.
«Эти новые результаты показывают, что для химиков может быть нецелесообразно так сильно руководствоваться гипотезой Мира РНК при изучении происхождения жизни на Земле», — говорит один из главных исследователей Раманараянан Кришнамурти, доктор философии, доцент химии. в Scripps Research.
Кришнамурти и его лаборатория работали над исследованием в лаборатории Джона Сазерленда, доктор философских наук, Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований Великобритании в Кембридже, в рамках сотрудничества Фонда Саймонса в Нью-Йорке, посвященного происхождению жизни.
РНК ( рибонуклеиновая кислота ) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) химически очень похожи, но химикам никогда не удавалось показать, как одно могло быть преобразовано в другое на ранней Земле, кроме как с помощью ферментов, вырабатываемых ранними организмами. Отчасти из-за этого отсутствия продемонстрированного до жизни или «пребиотического» химического пути, связывающего РНК с ДНК, исследователи в этой области склонны считать, что более простая, более универсальная, РНК, была основой для первого формы жизни — или, по крайней мере, на ранней стадии жизни до появления ДНК. РНК способна хранить генетическую информацию поскольку ДНК может, способна катализировать биохимические реакции, как белковые ферменты, и в противном случае, вероятно, могла бы выполнить основные биологические задачи, которые были бы необходимы в первых формах жизни.
Хотя исследователи происхождения жизни в последние десятилетия в значительной степени пришли к тому, чтобы принять гипотезу мира РНК, Сазерленд, Кришнамурти, Джек Шостак из Гарварда и другие накопили доказательства того, что РНК и ДНК могли возникать более или менее все сразу в первых формах жизни. ,
Например, в исследовании, опубликованном в 2017 году, Кришнамурти и его коллеги из Scripps Research определили соединение, которое правдоподобно присутствовало на пребиотической Земле и могло бы выполнить важнейшую задачу по соединению строительных блоков РНК в более крупные цепочечные цепи РНК — и мог бы сделать то же самое для строительных блоков ДНК и белков.
В новом исследовании ученые объединили данные этого исследования с недавними результатами Сазерленда и его лаборатории по соединению под названием тиоуридин. Последний, вероятно, присутствовал на Земле до того, как возникла жизнь, и мог быть химическим предшественником нуклеозидных строительных блоков ранних РНК. Команда показала, что за несколько этапов химической реакции, которые, вероятно, могли бы произойти в пребиотическом мире, они могли превратить этот предшественник строительного блока РНК в строительный блок ДНК — дезоксиаденозин, который образует букву «А». в современном четырехбуквенном коде ДНК. В качестве альтернативы они могут превращать тиоуридин в дезоксирибозу, которая очень тесно связана с дезоксиаденозином и, возможно, также является предшественником ранних структурных элементов ДНК.
Открытие должно облегчить ученым принять возможность, что ДНК и РНК возникли вместе и были включены в первые формы жизни. Некоторые исследователи, включая Сазерленда, предположили, что РНК и ДНК могли бы даже смешаться, чтобы получить первые гены. Ни один такой организм не встречается в природе в настоящее время, но недавняя статья Питера Шульца из Scripps Research, Ph.D. и коллеги описали сконструированную бактерию, которая может выживать с генами, сделанными из смеси РНК / ДНК.
Кришнамурти подозревает, что, как бы ни возникла жизнь , РНК и ДНК с их соответствующими сильными и слабыми сторонами быстро перешли бы на довольно строгое разделение труда, наблюдаемое сегодня во всех клетках: ДНК для стабильного долгосрочного хранения генетической информации и РНК для свой особый набор задач, включая кратковременное хранение и транспортировку генетической информации и производство белков.
«В этой области начинается осознание того, что РНК и ДНК могли быть изначально смешаны вместе, но позже разделены в зависимости от того, что они делают лучше всего», — говорит Кришнамурти.
Авторами исследования «Пребиотическое фосфорилирование 2-тиоуридина обеспечивает либо нуклеотиды, либо строительные блоки ДНК с помощью фотовосстановления» были Цзяньфэн Сюй, Николас Грин и Джон Сазерленд из MRC, а также Клементина Гибард и Раманараян Кришнамурти из Scripps Research.
