RNS-világ hipotézis

Az RNS-világ a földi élet kialakulásának  egy hipotetikus szakasza , amikor a ribonukleinsavmolekulák együttesei a genetikai információ tárolását és a kémiai reakciók katalizálását is ellátták . Ezt követően társulásaikból modern DNS - RNS - fehérjeélet keletkezett, amelyet membránnal izolálnak a külső környezetből. Az RNS-világ gondolatát először Carl Woese fogalmazta meg 1968 -ban , később Leslie Orgel fejlesztette ki , végül Walter Gilbert fogalmazta meg 1986- ban .

A 21. században a hipotézis egyre több megerősítésre talál.

Összegzés

Az élő szervezetekben szinte minden folyamat elsősorban fehérje jellegű enzimek hatására megy végbe. A fehérjék azonban nem képesek önreplikálódni, és de novo szintetizálódnak a sejtben a DNS -ben tárolt információk alapján . De a DNS megkettőződése csak a fehérjék és az RNS részvétele miatt következik be. Ördögi kör alakul ki, amely miatt a spontán életkeletkezés elméletének keretein belül fel kellett ismerni, hogy nemcsak mindkét molekulaosztály abiogén szintézisére, hanem egy komplex spontán létrejöttére is szükség van. összekapcsolásuk rendszere.

Az 1980-as évek elején T. Chek és S. Altman amerikai egyesült államokbeli laboratóriumában fedezték fel az RNS katalitikus képességét. Az enzimekkel ( angol  enzim ) analóg módon az RNS-katalizátorokat ribozimeknek nevezték , felfedezésükért Thomas Check 1989 -ben kémiai Nobel-díjat kapott . Ezenkívül kiderült, hogy a riboszómák aktív központja nagy mennyiségű rRNS -t tartalmaz . Az RNS-ek kettős szál létrehozására és önreplikációra is képesek [1] .

Így az RNS teljesen autonóm módon létezhet, katalizálva "metabolikus" reakciókat, például új ribonukleotidok szintézisét és önreprodukálva, megtartva katalitikus tulajdonságait "generációról" "generációra". A véletlenszerű mutációk felhalmozódása bizonyos fehérjék szintézisét katalizáló RNS-ek kialakulásához vezetett, amelyek hatékonyabb katalizátorok, ezért ezek a mutációk a természetes szelekció során rögzültek. Másrészt megjelentek a genetikai információ, a DNS speciális tárházai. Az RNS közvetítőként megmaradt köztük.

Az RNS szerepe a modern világban

Az RNS világának nyomai megmaradtak a modern élő sejtekben , és az RNS részt vesz a sejtélet kritikus folyamataiban:

1. A sejtek fő energiahordozója - az ATP  - egy ribonukleotid , nem egy dezoxiribonukleotid .
2. A fehérje bioszintézis szinte teljes egészében különböző típusú RNS-ek felhasználásával történik:
   • a hírvivő RNS -ek a riboszómák fehérjeszintézisének templátai ;
   • az RNS -ek aminosavakat szállítanak a riboszómákba, és végrehajtják a genetikai kódot ;
   • A riboszómális RNS a riboszómák aktív központja, katalizálja az aminosavak közötti peptidkötés kialakulását.
3. Az RNS a DNS replikációjához is kritikus fontosságú :
   • egy RNS "mag" ( primer ) szükséges a DNS- duplikáció folyamatának elindításához ;
   • Az eukarióta sejtekben a DNS végtelen megkettőzéséhez, amelyet nem korlátoz a Hayflick-határ , a kromoszómák végszakaszait ( telomereket ) folyamatosan helyreállítja a telomeráz enzim , amely egy RNS-templátot is tartalmaz.
4. A reverz transzkripció során az RNS-ből származó információ átíródik DNS-be.
5. Az RNS érési folyamata számos, nem fehérjét kódoló RNS- t használ , beleértve a kis nukleáris RNS - eket és a kis nukleoláris RNS -eket .

Ezenkívül sok vírus RNS formájában tárolja genetikai anyagát, és RNS-függő RNS-polimerázt szállít a fertőzött sejtnek a replikációhoz.

Abiogén RNS szintézis

Az RNS abiogén szintézise egyszerűbb vegyületekből kísérletileg még nem bizonyított teljes mértékben. 1975 -ben Manfred Sumper  és Rudiger Luce az Eigen laboratóriumában  kimutatták , hogy egy olyan keverékben, amely egyáltalán nem tartalmaz RNS-t, de csak nukleotidokat és Qβ-replikázt tartalmaz , bizonyos körülmények között önreplikálódó RNS [2] .

2009-ben a  Manchesteri Egyetem tudóscsoportjának John Sutherland vezetésével sikerült demonstrálnia az uridin és citidin nagy hatékonyságú szintézisének lehetőségét és a reakcióeredmény rögzítésének mértékét (valamint a végtermékek felhalmozódásának lehetőségét). a korai Föld körülményei között [3] [4] . Ugyanakkor, bár a purinbázisok abiogén szintézisét már elég régen kimutatták [5] , az adenozin és guanozin szintézisét a korai Föld körülményei között csak egy nem hatékony változatban mutatták ki [4] .

2016-ban publikáltak egy tanulmányt, amely bemutatta mind a 4 ribonukleotid formamidból történő szintetizálásának lehetőségét [6] .

2017-ben bemutatták az uridin ribózból, uracilból és foszforsavból történő önképződésének lehetőségét [7] .

2019-ben a ribózt meteoritokban fedezték fel földönkívüli eredetű cukrok között, ami alátámasztja azt a feltételezést, hogy az ősi Földön is megtalálható. Az ilyen cukrok szintézisének legvalószínűbb módja a Butlerov-reakció . Ugyanakkor a dezoxiribóz ugyanabban a meteoritban hiányzik , ami az RNS valószínűbb szintézisére utal, mint a DNS-nél [8] .

2022- ben megtalálták az RNS-láncok abiogén szintézisének új és nagyon egyszerű változatát . Azt találták, hogy amikor nukleotidok keverékét vulkáni üvegen átszivárogják , hosszú (akár 100-200 egységnyi) RNS-láncok spontán képződnek. Így a tudósoknak végül sikerült megtalálniuk az átalakítások meglehetősen egyszerű módját, kezdve az elemi szerves molekuláktól, amelyek az űrben is megtalálhatók, és a világ RNS-ének meglehetősen hosszú nukleinsavláncaival, a darwini életre képes proto-élet elődjeivel végződve. evolúció [9] .

Az RNS evolúciója

Az RNS-molekulák evolúciós képességét számos kísérlet egyértelműen igazolta. Még az RNS katalitikus aktivitásának felfedezése előtt is végeztek ilyen kísérleteket Leslie Orgel és munkatársai Kaliforniában. Az RNS-t tartalmazó kémcsőbe etidium-bromidot , egy mérget adtak, amely gátolja az RNS szintézist. Eleinte a szintézis sebességét lelassította a méreg, de körülbelül kilenc "kémcsőgeneráció" evolúciója után a természetes szelekció egy újfajta méregellenálló RNS-t tenyésztett ki. A méregdózisok egymást követő megkétszerezésével olyan RNS-fajtát tenyésztettek ki, amely ellenálló volt a nagyon magas koncentrációival szemben. Összesen 100 kémcsőgeneráció változott a kísérlet során (és még sok más RNS-generáció, mivel minden kémcsőben generációk cserélődtek). Bár ebben a kísérletben maguk a kísérletezők adtak RNS-replikázt az oldathoz, Orgel azt találta, hogy az RNS-ek spontán önmásolódásra is képesek enzim hozzáadása nélkül, bár sokkal lassabban.

Később egy további kísérletet is végeztek a német Manfred Eigen iskola laboratóriumában. Felfedezte egy RNS-molekula spontán keletkezését egy kémcsőben szubsztráttal és RNS-replikázzal. A fokozatosan növekvő evolúció hozta létre. [tíz]

Az RNS-ek (ribozimek) katalitikus aktivitásának felfedezése után evolúciójukat egy számítógéppel vezérelt automatizált eszközben Brian Pegel és Gerald Joyce, a kaliforniai Scripps Research Institute munkatársai figyelték meg 2008-ban. A szelekciós nyomás szerepet játszó tényező a korlátozott szubsztrát volt, amely olyan oligonukleotidokat tartalmazott, amelyeket a ribozim felismert és magához kapcsolt, valamint az RNS és DNS szintéziséhez szükséges nukleotidokat. A másolatok készítésekor néha hibák - mutációk - fordultak elő, amelyek befolyásolták a katalitikus aktivitásukat (a folyamat felgyorsítása érdekében a keveréket többször mutációval végezték polimeráz láncreakcióval, "pontatlan" polimerázok segítségével). Ez alapján választották ki a molekulákat: a leggyorsabban másolható molekulák hamar dominálni kezdtek a közegben. Ezután az elegy 90%-át eltávolítottuk, helyette új keveréket adtunk hozzá szubsztráttal és enzimekkel, és a ciklust megismételtük. 3 napon keresztül a molekulák katalitikus aktivitása 90-szeresére nőtt, mindössze 11 mutáció miatt. [11] [12]

Ezek a kísérletek bizonyítják, hogy az első RNS-molekuláknak nem kellett kellően jó katalitikus tulajdonságokkal rendelkezniük. Később az evolúció során a természetes szelekció hatására fejlődtek ki.

2009-ben a Montreali Egyetem kanadai biokémikusai, K. Bokov és S. Steinberg, az Escherichia coli baktérium riboszómájának fő komponensét , a 23S-rRNS-molekulát tanulmányozva megmutatták, hogyan fejlődhet ki a fehérjeszintézis mechanizmusa viszonylag kis méretből. és egyszerű ribozimek . A molekulát 60 viszonylag független szerkezeti blokkra osztották, amelyek közül a fő a katalitikus központ (peptidil-transzferáz központ, PTC, peptidil-transzferáz centrum), amely a transzpeptidációért ( peptidkötés kialakításáért ) felelős. Kimutatták, hogy ezek a blokkok szekvenciálisan leválaszthatók a molekuláról anélkül, hogy elpusztítanák a maradék részét, amíg csak egy transzpeptidációs központ marad. Azonban megtartja a transzpeptidáció katalizálásának képességét. Ha a molekula blokkjai közötti minden kötést nyílként ábrázoljuk, amely a szétváláskor nem tönkremenő blokkról a megsemmisült blokkra irányul, akkor az ilyen nyilak nem alkotnak egyetlen zárt gyűrűt. Ha a kapcsolatok iránya véletlenszerű lenne, ennek a valószínűsége kisebb lenne, mint egy a milliárdhoz. Ezért a kötések ilyen jellege a blokkok fokozatos hozzáadásának sorrendjét tükrözi a molekula evolúciós folyamatában, amelyet a kutatóknak sikerült részletesen rekonstruálniuk. Így egy viszonylag egyszerű ribozim, a 23S-rRNS-molekula PTC-centruma lehet az élet kiindulópontja, amelyhez aztán új blokkokat adtak, javítva ezzel a fehérjeszintézis folyamatát. Maga a PTC két szimmetrikus lebenyből áll, amelyek mindegyike egy-egy tRNS -molekula CCA-farkát tartalmazza . Feltételezzük, hogy egy ilyen szerkezet egy eredeti penge megkettőzésének (megkettőzésének) eredményeként jött létre. A transzpeptidációt katalizálni képes funkcionális RNS-eket ( ribozimeket ) mesterséges evolúcióval állítottak elő. Ezeknek a mesterségesen előállított ribozimeknek a szerkezete nagyon közel áll a protoriboszóma szerkezetéhez, amelyet a szerzők "számítottak". [13] [14]

Az RNA World Objects tulajdonságai

Különféle feltételezések léteznek arról, hogy hogyan néztek ki az önreplikáló RNS-rendszerek. Leggyakrabban feltételezik, hogy RNS-aggregáló membránokra vagy RNS elhelyezésére van szükség az ásványok felszínén és a laza kőzetek pórusterében. Az 1990-es években A. B. Chetverin és munkatársai kimutatták, hogy az RNS képes molekuláris kolóniákat képezni géleken és szilárd szubsztrátumokon, amikor megteremti a replikáció feltételeit. A molekulák szabad cseréje zajlott le, amely ütközés során területet cserélhetett, amit kísérletileg kimutattak. Az ezzel kapcsolatos telepek teljes halmaza gyorsan fejlődött [15] .

A fehérjeszintézis megjelenése után sikeresebben fejlődtek ki azok a telepek, amelyek enzimeket tudtak létrehozni. Még sikeresebbek voltak a kolóniák, amelyek megbízhatóbb mechanizmust alkottak a DNS-ben való információtároláshoz, és végül lipidmembránnal választották el őket a külvilágtól, amely megakadályozta molekuláik szétszóródását.

Nehézségek

A nukleotidokat létrehozó prebiotikus modellek nem kompatibilisek a cukrok létrehozásához szükséges feltételekkel (a formaldehid magas koncentrációja miatt ). Tehát ezeket különböző helyeken kell szintetizálni, majd átvinni egy helyre. Vízben azonban nem reagálnak. A vízmentes reakciók könnyen kötik a purinokat a cukrokhoz, de ezeknek csak 8%-a köti össze a cukor megfelelő szénatomját a nitrogénbázis megfelelő nitrogénatomjával. A pirimidinek azonban még vízmentes körülmények között sem lépnek reakcióba a ribózzal.

Ezenkívül a szintézishez szükséges foszfátok rendkívül ritkák a természetben, mivel könnyen kicsapódnak. A foszfát bevezetésével az utóbbinak gyorsan egyesülnie kell a nukleotid megfelelő hidroxilcsoportjával.

Ahhoz, hogy a nukleotidok RNS-t alkossanak, maguknak is aktiválódniuk kell. Az aktivált purin nukleotidok kis láncokat alkotnak a meglévő pirimidin RNS templáton, de ez a folyamat fordítva nem működik, mivel a pirimidin nukleotidok nem polimerizálódnak olyan könnyen.

Ezenkívül az összes ribóznak ugyanabból a sztereoizomer típusból kell állnia, mivel bármely nem megfelelő kiralitású nukleotid láncterminátorként működik.

Az RNS-világ hipotézis kritikusai (például A. Caines-Smith) szerint a nukleinsavak felépítésének folyamatához a kedvező feltételek és események szinkronizálására lenne szükség. Sőt, ennek a szinkronizálásnak időben elég hosszúnak kell lennie (több millió éven át), hogy elegendő mennyiségű szükséges anyagot hozzon létre.

Ennek ellenére 2009-ben két pirimidin ribonukleotidot szintetizáltak intermedierek (ribóz és nitrogénbázis) képződése nélkül, de további intermedierek (arabinóz és nukleozid-anhidrid ) keletkeztek. 2016-ban kimutatták, hogy lehetséges a fennmaradó purin nukleotidok: az adenin és a guanin szintetizálása és ribózzal való kombinálása. Azt azonban még nem állapították meg, hogy a foszfátmaradék hozzáadása hogyan történhet.

RNS előtti világok

R. Shapiro biokémikus bírálja az RNS-világ hipotézist, mivel úgy véli, hogy a katalitikus tulajdonságokkal rendelkező RNS spontán megjelenésének valószínűsége nagyon alacsony. A „kezdetben volt RNS” hipotézis helyett a „kezdetben volt metabolizmus” hipotézist, azaz kémiai reakciók komplexeinek kialakulását - az anyagcsere-ciklusok analógjait - kis molekulatömegű vegyületek részvételével. rekeszekben előforduló  - térben spontán kialakuló membránok vagy más fázishatárok által határolt területek - területek. Ez a koncepció közel áll az abiogenezis koacervált hipotéziséhez, amelyet AI Oparin javasolt 1924 - ben [16] .

Az abiogén RNS-szintézis másik hipotézise, ​​amely az RNS-szintézis alacsony becsült valószínűségének problémáját hivatott megoldani, a poliaromás szénhidrogének világának hipotézise, ​​amelyet 2004 -ben javasoltak, és RNS-molekulák szintézisét javasolja poliaromás gyűrűk halmazán.

Valójában a „pre-RNS-világok” mindkét hipotézise nem utasítja el az RNS-világ hipotézisét, hanem módosítja azt, feltételezve az RNS-makromolekulák replikációjának kezdeti szintézisét az elsődleges metabolikus kompartmentekben, vagy az asszociációk felszínén, ami az „RNS-t” nyomja. világ" az abiogenezis második szakaszába .

A. S. Spirin , az Orosz Tudományos Akadémia akadémikusa úgy véli, hogy az RNS-világ nem jelenhetett meg és nem létezhetett a Földön, és fontolóra veszi az RNS-világ földönkívüli (elsősorban üstökösökön) eredetét és fejlődését [17] .

Lásd még

• Az élet megjelenése
• Kémiai evolúció
• Nukleoproteinek
• Peptido nukleinsavak

Jegyzetek

1. ↑ Johnston, W. RNS-katalizált RNS polimerizáció  : pontos és általános RNS-templált primer kiterjesztése: [ eng. ]  / W. Johnston, P. Unrau, M. Lawrence … [ et al. ] // Tudomány : j. - 2001. - 20. évf. 292. sz. 5520. - P. 1319-1325. - doi : 10.1126/tudomány.1060786 . — PMID 11358999 .
2. ↑ Sumper, M. Evidence for De Novo Self-replicate and Environmentally Adapted RNS Structures by Bakteriofág Qβ Replicase  : [ eng. ]  / M. Sumper, R. Luce // Proceedings of the National Academy of Science USA. - 1975. - 1. évf. 72. sz. 1 (január). - P. 162-166. - doi : 10.1073/pnas.72.1.162 . — PMID 1054493 . — PMC 432262 .
3. ↑ Powner, MW Aktivált pirimidin ribonukleotidok szintézise prebiotikusan elfogadható körülmények között : [ eng. ]  / MW Powner, B. Gerland, JD Sutherland // Természet. - 2009. - 1. évf. 459. sz. 7244 (május 14.). - P. 239-42. - doi : 10.1038/nature08013 . — PMID 19444213 .
4. ↑ 1 2 Markov, Alexander. A kémikusok legyőzték az RNS abiogén szintéziséhez vezető út fő akadályát // Elemek: [webhely]. - 2009. - május 18.
5. ↑ Yuasa, S. Purinok és más heterociklusos vegyületek abiotikus szintézise elektromos kisülések hatására: [ eng. ]  / S. Yuasa, D. Flory, B. Basile … [ et al. ] // Journal of Molecular Evolution. - 1984. - 1. évf. 21, sz. 1. - P. 76-80. — ISSN 0022-2844 . - doi : 10.1007/bf02100630 . — PMID 6442361 .
6. ↑ Šponer, Judit E. Az első katalitikus oligonukleotidok megjelenése formamid-alapú származási forgatókönyvben: [ eng. ]  / Judit E. Šponer, Jiří Šponer, Olga Nováková … [ et al. ] // Kémia : J. - 2016. - Vol. 22, sz. 11. - P. 3572-3586. - doi : 10.1002/chem.201503906 . — PMID 26807661 .
7. ↑ Nam, I. Cukorfoszfátok és uridin-ribonukleozid abiotikus termelése vizes mikrocseppekben : [ eng. ]  / I. Nam, J. Lee, HG Nam … [ et al. ] // Proceedings of the National Academy of Science USA. - 2017. - Kt. 114. sz. 47 (november 21.). - P. 12396-12400. - doi : 10.1073/pnas.1714896114 . — PMID 29078402 . — PMC 5703324 .
8. ↑ Vlaszov, Kirill. A Murchison meteoritból származó cukor földönkívüli eredetű  // Elemek. - 2019. - december 20. — Hozzáférés időpontja: 2019.12.21.
9. ↑ Poliribonukleinsav katalitikus szintézise prebiotikus kőzetüvegeken | Asztrobiológia . Letöltve: 2022. június 5. Az eredetiből archiválva : 2022. június 5.. (határozatlan)
10. ↑ Richard Dawkins. Vak órásmester. 5. fejezet "Hatalom a múlt és a jövő felett." . Letöltve: 2012. november 16. Az eredetiből archiválva : 2011. július 19. (határozatlan)
11. ↑ Elements Science News: Computer-Driven Evolution . Hozzáférés dátuma: 2013. január 7. Az eredetiből archiválva : 2013. január 16. (határozatlan)
12. ↑ "Evolution by Order" megjegyzés az RNS evolúciójának kísérleti vizsgálatához . Letöltve: 2012. november 15. Az eredetiből archiválva : 2013. április 24.. (határozatlan)
13. ↑ Elemek – tudományos hírek: Megoldódott a riboszómák eredetének rejtélye? . Letöltve: 2012. november 15. Az eredetiből archiválva : 2012. szeptember 20.. (határozatlan)
14. ↑ Markov, A. V. Ch. 1. Az élet eredete  // A komplexitás születése: Az evolúcióbiológia napjainkban: váratlan felfedezések és új kérdések. — M  .: Astrel: CORPUS, 2010. — S. 60. — 248 p. - (Elemek). - ISBN 978-5-17-084031-1 .
15. ↑ Chetverina HV, Chetverin AB RNS-molekulák klónozása in vitro  // Nucleic Acids Res  . : folyóirat. - 1993. - május ( 21. évf. , 10. sz.). - P. 2349-2353 . — PMID 7685078 .
16. ↑ Shapiro R. Az élet eredeténél // A tudomány világában (a Scientific American orosz kiadása ), 2007. 10. szám. 21-29.
17. ↑ A. S. Spirin Mikor, hol és milyen körülmények között keletkezhet és fejlődhet ki az RNS-világ? Archivált : 2014. szeptember 5. a Wayback Machine -nél // Journal of Paleontology. - 5. sz. - 11-19.o

Irodalom

• Grigorovich S. Volt RNS az elején? In search of the primordial life molekula // Tudomány és Élet, No. 2 (2004) Archivált 2007. február 10-én a Wayback Machine -nél
• Kritsky M.S., Telegina T.A. Koenzimek és az RNS-világ evolúciója  // Advances in Biological Chemistry. - 2004. - T. 44 . - S. 341-364 . Az eredetiből archiválva : 2016. október 19.
• Spirin A. S. Ribonuclein acids as the central link of living material Archív másolat , 2016. március 5., a Wayback Machine // Bulletin of the Russian Sciences Academy, 73. évf., 2. szám, p. 117-127 (2003)
• Spirin A. S. Fehérje bioszintézis, az RNS-világ és az élet eredete A Wayback Machine 2015. május 29-i archív példánya
• Chek Thomas R. RNA - an enzim Archivált 2011. február 3. a Wayback Machine -nél // A tudomány világában (a Scientific American orosz kiadása ), 1987, 1. sz.
• Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts C., Watson J. Cell Evolution Archiválva : 2010. november 12., a Wayback Machine / Molecular Biology of the Cell, 3 kötetben, 2. kiadás, — M .: Mir, 1994.

Linkek

• Szintetizálta a földi élet fő alapját

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)