Если говорить о современном мире, в естественных условиях рибонуклеиновая кислота не обладает способностью к самокопированию. В клетках живых организмов создание новых молекул РНК происходит в ходе транскрипции генов: специальный фермент РНК-полимераза находит необходимый участок ДНК, локально расплетает двойную спираль и создаёт копию открывшейся последовательности нуклеотидов. Геном некоторых вирусов представлен исключительно РНК, однако и они не могут размножаться без белковых ферментов, которые синтезируются внутри зараженных клеток. Тем не менее принципиальная возможность саморепликации РНК есть, и ключевую роль в этом играют рибозимы — особые молекулы, обладающие каталитической активностью.
В начале 1980-х американские молекулярные биологи Томас Чек и Сидни Олтмен открыли, что РНК может работать как катализатор, ускоряющий биохимические реакции. До этого считалось, что в природе каталитической активностью обладают только белки, а РНК ограничиваются функцией посредников. Однако некоторые молекулы, получившие обобщенное название рибозимы, могли самостоятельно запускать реакции, например, расщепления или соединения нуклеиновых кислот. Главным природным рибозимом является рибосомная РНК — структурная основа рибосомы, которая отвечает за формирование пептидных связей при синтезе белков.
С момента открытия Чека и Олтмена многие ученые посвятили себя исследованиям, связанным с рибозим-полимеразой — молекулой, способной полноценно копировать саму себя или другие нуклеиновые кислоты. Согласно гипотезе мира РНК, рибозим-полимеразы могли быть основой жизни, то есть хранили наследственную информацию и отвечали за размножение, в далеком прошлом, до появления белков и ДНК. И хотя в природе найти этих универсальных «копировальщиков» не удалось, биохимики вполне успешно создают их аналоги в лабораториях. Наиболее продвинутый искусственный рибозим-полимераза синтезировал цепь РНК длиной более 200 нуклеотидов, правда, на сторонней матрице.
Также самостоятельное копирование РНК может происходить вообще без участия катализаторов, будь то рибозимы или белки. Однако для подобной саморепликации необходимо наличие так называемых активированных нуклеотидов. От обычных они отличаются наличием особых органических групп в «хвосте» соединения. Это делает их менее стабильными, но и даёт возможность в любой момент вступить в реакцию. Активированные нуклеотиды подплывают к цепи РНК и связываются с ней по принципу комплементарности, то есть сочетаемости их азотистых оснований. При этом модифицированные «хвосты» оказываются вплотную прижаты друг к другу и образуют прочные химические связи. В процессе активирующие группы отщепляются, а на матрице остается новая цепь РНК.
Если саморепликация РНК без каталитических реакций когда-то и существовала в природе, то в ходе эволюции жизнь отказалась от этой опции. Главная проблема заключается в том, что подобные реакции протекают слишком медленно. Белковая полимераза в живых клетках сшивает сотни нуклеотидов в секунду, тогда как без ферментов на сборку цепей всего из 30 звеньев уходят сутки или даже недели. Кроме того, ферменты осуществляют строгий контроль за соблюдением последовательности, а при саморепликации активированные нуклеотиды часто встают не на те места. Из-за этого исходный генетический код уже спустя пару циклов копирования может измениться до неузнаваемости.
Подводя итог, давайте еще раз ответим на заданный вопрос. РНК имеет фундаментальную способность к самокопированию посредством каталитической активности или задействования активированных нуклеотидов. Однако из-за высокой склонности к ошибкам и сложности аккуратного разделения скопированных цепей эти механизмы уступили место более эффективной «командной» работе с участием ДНК и белков. Тем не менее учёные всячески стараются воспроизвести самостоятельное копирование РНК, чтобы приблизиться к ответу на один из главных вопросов человечества: «Как на бесплодной каменно-металлической планете появилась жизнь?»
Автор текста Иван Стефанов
Изображение: Magnific
