Ирина Лагунина: Мы продолжаем рассказывать об истории возникновения живой природы на нашей планете. О том, какую роль сыграли в этом процессе рибонуклеиновые кислоты и о том, что такое РНК-мир, во второй передаче цикла "Происхождение жизни" рассказывает доктор биологических наук Александр Марков.
С ним беседует Ольга Орлова.
Александр Марков: Ученые в настоящее время пытаются понять, каким образом могла появиться жизнь. Экспериментальным путем можно доказывать возможность тех или иных процессов. Мы можем доказать только принципиальную возможность событий, а путь от неорганических молекул до первой живой клетки, он был очень длинный и непростой. За один шаг такое расстояние не преодолеть.
Ольга Орлова: Мы можем рассказать по этапам?
Александр Марков: Конечно. Первое, с чего нужно начать – это с синтеза органических веществ, как могли возникнуть первые органические соединения во Вселенной вообще. Вселенная, по представлению физиков, появилась во время Большого взрыва где-то 14 миллиардов лет назад, сформировались первые звезды, сначала из элементов в основном были только водород и гелий. В звездах происходил термоядерный синтез, водород превращался в гелий. Самые крупные звезды в конце своей жизни взрывались и во время этих взрывов создавалось такое высокое давление температуры, что происходил синтез более тяжелых элементов, включая те элементы, которые необходимы для жизни – углерод, азот, фосфор, сера, кислород и так далее. Эти элементы рассеивались во Вселенной, из них собирались новые звезды планетные системы, звезды второго поколения. Одно из них – это наше Солнце. Вокруг Солнца из протопланетного газопылевого диска, облака стали собираться планеты. Сейчас показано, что синтез органики в этой истории развития Вселенной мог начаться в протопланетных облаках, которые вращались вокруг звезд второго поколения. То есть еще до того, как сформировались планеты, на этих разрозненных частицах материи мог идти синтез органических соединений, и это продемонстрировано экспериментально. Там ключевую роль играю частицы, содержащие никель, железо и кремний, работают как катализаторы, а синтез органики идет из таких веществ как СО, угарный газ, HCN , цианистый водород. И показано, что уже в протопланетном облаке могли синтезироваться такие соединения как аминокислоты или азотистые основания, химические основа тех биополимеров, из которых состоит живая клетка. Таким образом в принципе Земля могла иметь некоторое количество органики с самого момента своего возникновения. Это, кстати, у нас в Новосибирске занимаются астрокатализом ученые, академик Валентин Пармон и его коллеги. Когда сформировалась Земля, то в ее поверхностных областях, которые называются атмосфера, литосфера, гидросфера, которая, возможно, появилась чуть позже, начались всевозможные химические процессы, стали возникать круговороты, какие-то из космоса продолжали падать фрагменты протопланетного облака, что-то поднималось из недр, что-то крутилось в первичной атмосфере, какие-то циклические процессы. И разные вещества вступали между собой в разные химические реакции, шли разные химические превращения. На этом этапе могла возникнуть некая конкуренция, своего рода химический естественный отбор между различными химическими процессами. В такой конкуренции между разными химическими реакциями идет конкуренция за субстрат. Побеждает та реакция, которая идет быстрее, а быстрее идет та реакция, у которой найдется хороший катализатор. Так вот некоторые органические молекулы обладают свойствами сильных катализаторов. И если удачно сложатся обстоятельства, то может возникнуть так называемый автокаталитический цикл - это по сути дела цепная реакция, это реакция, которая катализируется своим собственным продуктом.
Ольга Орлова: Соответственно, органические молекулы все больше и больше вовлечены в это.
Александр Марков: Да, их количество начинает нарастать как снежный ком. Первую такую автокаталитическую реакцию, в которой могли синтезироваться органические вещества и синтезировались, открыл русский химик Бутлеров, она так и называется в нашей отечественной литературе - реакция Бутлерова. Реакция состоит в том, что происходит синтез сахаров из формальдегида, а катализатором этой реакции выступают сами сахара. То есть нужен субстрат формальдегид и нужна затравка, грубо говоря, хотя бы одна молекула сахара, скажем, рибозы. И начинается цепная реакция, начинается автокаталитический процесс. Возможно, в ходе таких автокаталитических циклов накапливались на планете какие-то органические соединения. Дальше становится вопрос: хорошо, синтезировали мы органические вещества, а как переход к живым организмам мог произойти. И ученые давно еще задумались о том, какая же из химических молекул должна была лежать в основе жизни. Известно, что все современные живые существа построены из трех главных типов крупных молекул - это ДНК, белки и третий тип РНК. ДНК хранит наследственную информацию - это ее главная задача, больше она ничего не делает. Белки выполняют в клетке всю работу, все активные функции, в том числе строители, рабочие, производители энергии. Они синтезируют все вещества, они размножают ту же самую ДНК.
Ольга Орлова: То есть они исполнители всего.
Александр Марков: Исполнители всего, универсальный работник.
Ольга Орлова: А за что отвечает РНК?
Александр Марков: РНК поначалу казалось ученым какой-то третьей лишней. В принципе было известно, что она выполняет роль посредника между ДНК и белками, то есть информация генетическая переписывается с ДНК на РНК, а потом РНК служит матрицей для синтеза белка.
Ольга Орлова: То есть от РНК белки понимают, что им нужно строить.
Александр Марков: Если так эту картину себе представлять, то не совсем понятно, а зачем вообще нужна эта РНК, можно было бы сразу на основе ДНК строить белок. Они с химической точки зрения, ДНК и РНК очень похожи. В принципе теоретически можно вообразить организм, казалось бы, в котором нет РНК, только ДНК и белки, но таких организмов нет в природе. Кроме того известно, что из этого правила есть парочка исключений. Я сказал, что в принципе всю работу в клетке выполняет белки, но два исключения все-таки были известны. В синтезе белка ключевую роль кроме белков играют еще и особые молекулы РНК, которые выполняют в данном случае не информационную функцию, а рабочую. Это так называемые рибосомная РНК и транспортная РНК. Без них синтез белка невозможен. Эти рабочие РНК отвечают за то, чтобы правильно считать информацию, которая записана в информационной молекуле РНК, которая была считана с гена, то есть с ДНК. Это было какое-то курьезное исключение. Почему-то все в клетке делают белки, а это - синтез белка - почему-то делают непонятные рабочие РНК. И это воспринималось как некое исключение. Хотя я, честно говоря, помню, как в начале 80 годов еще до того, как все стало понятно, я думал над этой проблемой, мне казалось очень удивительно, почему все в клетке делают белки, а рибосомы, синтезирующие белок, сделаны почему-то из рибосомной РНК. Белки там тоже есть, но основу составляет рибосомная РНК. Почему здесь не мог работать белок. И транспортная РНК, тоже их функцию мог бы выполнять белок.
Ольга Орлова: Когда же прояснилась ситуация?
Александр Марков: Все прояснилось, когда в середине 80 годов были обнаружены так называемые рибозимы, то есть оказалось, что некоторые молекулы РНК могут фактически заменять белки, могут выполнять активную работу, в частности, могут выполнять каталитические функции, работать катализатором. И сразу же в тот же момент стало ясно, что теоретически возможен организм, в котором нет ни белков, ни ДНК, а есть только РНК. Потому что то, что РНК может заменить ДНК - это и раньше было известно, потому что были известны РНК вирусы. Есть вирусы, у которых хранителем наследственной информации служит РНК. Получилось, что РНК могут заменить собой и ДНК, и белки. Все, конечно, страшно обрадовались и возникла так называемая теория РНК-мира. На определенном этапе жизнь состояла из РНК-организмов. Я лично считаю, что это было великое прозрение и самая удачная гипотеза, связанная с проблемой происхождения жизни. Действительно, сразу все становится на свои места и становится понятно, почему синтез белка осуществляет РНК. Потом стали находить в клетке все новые и новые функции рабочие, которые выполняет молекула РНК и разные рибозимы, и разные регуляторные РНК. Оказалось, что у РНК на самом деле в клетке куча работы.
Ольга Орлова: Речь идет о том, что сначала это были РНК-организмы, а потом они усложнялись и уже из них отделялась ДНК и белки.
Александр Марков: Идея такая, что сначала были РНК-организмы, а потом они приобретали постепенно.
Ольга Орлова: Как они обросли РНК и белками?
Александр Марков: Как они обросли РНК и белками? Что такое РНК-организм, я хотел бы вначале сказать, потому что может РНК делать то, пятое, десятое, организм как из этого собрать? Прежде всего нужно уметь себя воспроизводить, чтобы была жизнь, чтобы было что-то похожее на жизнь - это что-то должно иметь способность самовоспроизводиться. Вот, скажем, сахара в реакции Бутлерова, они самовоспроизводятся, в этом смысле они похожи на жизнь. Значит и молекулы ДНК должны обладать такой способностью. В живых клетках не обнаружилось молекул РНК, которые способны были бы катализировать синтез собственных копий. Тогда стали пытаться получить искусственно. Сейчас научились при помощи метода искусственной эволюции получать самые разнообразные молекулы РНК с самыми разными функциями. То есть это просто синтезируют случайным образом молекулу РНК, молекула РНК состоит из четырех нуклеотидов или букв в разных последовательностях. Вот синтезируют химики случайные молекулы РНК, случайные последовательности букв в огромном количестве, а потом проводят отбор по интересующему их свойству. Например, хотят получить молекулу РНК, которая бы крепко связывалась с атомами железа. В эту смесь полученных молекул опускают железную палку, вынимают, кто прилип, тот нам и нужен. Я очень упрощенно говорю. Таким образом можно фактически любое заданное свойство выбрать. Потом можно в несколько циклов, то есть выбрать те молекулы, которые лучше всего справились с поставленной задачей, и в них вносить изменения, чтобы еще лучше подогнать это свойство, усилить эту функцию, добиться оптимального результата. Вот таким способом удалось вывести рибозимы, которые катализируют синтез РНК чуть-чуть, но это было не совсем, то хотелось получить фермент, который реально делает копию, копирование. Фермент с такой функцией называется РНК-полимеразы, они на матрице одной молекулы РНК синтезируют другую и комплиментарную, считывают. В конце концов удалось изготовить такой рибозим, но с очень большим трудом. Его собрали из нескольких молекул РНК, не одну, а несколько пришлось объединить. Но все-таки показали, что принципиальная возможность есть. А сейчас уже добились того, что живут, растут сами как в колонии микроорганизмов в колонии молекулы РНК в пробирке. Правда, это не чистые РНК-организмы, а это симбиоз с белками, потому что эти РНК кодируют некие белки, ферменты, сами их синтезируют, а уже эти белки осуществляют размножение молекул РНК, но все равно какая-то искусственная РНК-белковая жизнь получается.
