РНК и ДНК — химические родственники. Но небольшая разница между ними (дополнительный атом кислорода, повторяющийся в основной цепи РНК) может радикально изменить поведение молекул.
Исследователи обнаружили, что эта особенность помогает РНК легче собираться в плотные, похожие на жидкость капли, чем аналогичные цепи ДНК. Эти капли могут образовывать взаимосвязанные гелеобразные сети. Хотя это все еще спекулятивно, это может помочь решить сложную часть загадки: как хрупкие молекулы РНК могли концентрироваться и организовываться до того, как появились клетки.
У жизни есть проблема со сдержанностью
Каждая современная клетка окружена мембраной. Вы можете игнорировать это, но эта граница очень важна. Он удерживает полезные молекулы близко друг к другу, отделяет химические процессы клетки от внешней среды и позволяет реакциям протекать эффективно.
Без мембраны нет клетки.
Исследователи происхождения жизни сталкиваются с трудной проблемой, когда пытаются представить биологию выше клеток.
Одна влиятельная идея, известная как гипотеза мира РНК, предполагает, что РНК играла центральную роль до того, как ДНК и белки взяли на себя многие функции современной жизни. РНК является вероятным кандидатом, поскольку она может делать две вещи, которые современные организмы часто разделяют между разными молекулами: она может нести генетическую информацию, как ДНК, а некоторые молекулы РНК также могут катализировать химические реакции, например, строить белки.
Но это создает еще одну проблему.
У полезной молекулы РНК, плавающей в одиночестве в огромном водоеме, мало шансов повторно встретить нужные ей молекулы. РНК менее химически стабильна, чем ДНК. Итак, каким-то образом полезные молекулы должны быть сконцентрированы.
Одним из возможных ответов является разделение фаз.
Разделение фаз звучит технически, но это тот же процесс, при котором масло отделяется от воды в виде капель. Биомолекулы могут делать нечто подобное, образуя плотные капли в более разбавленном растворе.
Эти структуры называются биомолекулярными конденсатами. В отличие от клеток, им не нужна закрытая мембрана.
Современные аккумуляторы широко используют конденсаты. Исследователи также предположили, что более простые версии могли помочь исправить химию на ранней Земле.
РНК удивительно легко образует капли
В 2023 году исследователи под руководством физика из Университета Буффало Прии Банерджи показали, что некоторые типы РНК могут самостоятельно образовывать капли при нагревании в растворах, содержащих ионы магния.
Это было весьма удивительно. Нагревание обычно способствует плавлению смесей, но эти молекулы РНК действовали наоборот. Выше определенной температуры они отделяются от окружающего раствора и конденсируются в плотную фазу.
Новое исследование задает обманчиво простой вопрос: почему РНК так хорошо справляется с этим?
Исследователи сравнили РНК с одноцепочечной ДНК, несущей ту же последовательность. Молекулы внешне похожи. Оба состоят из генетических «букв», прикрепленных к повторяющемуся сахарофосфатному остову. Но их сахара различаются в одной позиции.
РНК содержит рибозу. На втором атоме углерода этого сахара находится гидроксильная группа — кислород и водород, химически записываемые как 2’-ОН.
ДНК содержит дезоксирибозу. В том же положении вместо него находится водород.
Это небольшое изменение имеет большое значение. В условиях эксперимента исследователей сопоставимые цепи РНК начали образовывать конденсаты при температуре примерно на 10 градусов ниже, чем ДНК. Следовательно, РНК имеет большую вероятность разделения на капли.
«Эти результаты впервые показывают, насколько резко небольшие изменения в молекулярной химии могут контролировать появление более крупных, самоорганизующихся биомолекулярных структур, таких как конденсаты РНК», — сказал Банерджи в пресс-релизе Университета в Буффало.
Почему эта небольшая химическая разница важна для возникновения жизни?
Используя микроскопию, рентгеновские измерения и молекулярное моделирование, они обнаружили, что эта 2′-ОН-группа меняет взаимодействие РНК с водой и магнием. По мере повышения температуры РНК освобождала окружающую ее воду быстрее, чем ДНК. Ионы магния могут помочь стянуть нити РНК вместе, позволяя им образовывать плотные капли.
Эти капли также могут образовывать взаимосвязанные гелеобразные сети. ДНК более восприимчива к обоим вариантам поведения.
«Одна кислородсодержащая группа в сахаре РНК оказывает удивительно сильное влияние на то, будут ли эти молекулы агрегировать, оставаться динамическими или задерживаться в гелеобразном материале», — сказал первый автор Гейбл Уодсворт.
Это очень важно для понимания того, как возникла жизнь на Земле, поскольку предполагает способ, которым полезные молекулы концентрировались до того, как появились клетки.
Согласно гипотезе мира РНК, РНК когда-то выполняла как генетическую, так и химическую роль, прежде чем ДНК и белки взяли на себя многие из этих функций. Но у отдельных молекул РНК, рассеянных в древней воде, было мало шансов на повторное взаимодействие.
Конденсаты предлагают возможное решение. Это никоим образом не доказанная гипотеза, но вполне реалистичная.
«Они могут позволить нам ответить на более глубокие вопросы, например, помогли ли эти конденсаты преодолеть разрыв между простыми молекулами и самыми ранними формами жизни», — сказал Банерджи.
Таким образом, исследование предполагает, что РНК может обладать встроенной химической тенденцией к самовосстановлению, которой в той же степени лишена ДНК.
Исследование было опубликовано в Общение на природе.
