Фото: Shutterstock
Ученые Университета Токио впервые создали РНК-молекулу, которая способна самостоятельно размножаться, мутировать с образованием новых разновидностей и усложняться в соответствии с дарвиновской эволюцией.
Как пишет lenta.ru результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communication, предоставляют новые эмпирические доказательства в пользу гипотезы РНК-мира, согласно которой первые живые организмы на Земле возникли из биологических молекул, способных хранить генетическую информацию и катализировать биохимические реакции.
Исследователи сконструировали РНК-молекулу, которая кодирует фермент РНК-репликазу и использует его для собственного размножения. Из-за того, что репликация производится неидеально, в некоторые новые копии вносились случайные мутации, которые нарушали способность молекул кодировать РНК-репликазу. В результате возникали «паразитические» РНК-молекулы, использовавшие чужие ферменты для своего размножения. В ходе предыдущих экспериментов было показано, что в течение 600 часов эволюции возникали различные линии молекул, кодирующих репликазы, и паразитических РНК, которые конкурировали друг с другом за ферменты.
В новом эксперименте исследователи подвергли РНК-молекулы дарвиновской эволюции в течение 1200 часов. Система репликации РНК состояла примерно из 128 одинаковых одноцепочечных молекул РНК, которые кодировали каталитическую субъединицу Qβ репликазы. РНК-молекулы производили репликазу, находясь внутри капель воды, взвешенных в масляной жидкости. На каждом этапе ученые забирали из раствора часть капель с молекулами, а затем добавляли «пустые» капли, где присутствовали вещества, необходимые для генерации новых репликаз. Раствор перемешивали, чтобы копии РНК-молекул попали в новые капли, где генерировали репликазы и размножались. Всего было проведено 240 циклов репликации.
В ходе эволюции возникла сложная репликаторная сеть из пяти типов РНК-молекул и кодируемых ими ферментов. Из предковой РНК-молекулы (HL0) возникли линии HL1 и HL2, причем из второй линии впоследствии произошла третья линия HL3. HL2 также дала начало двум паразитическими линиям PL1 и PL2, однако к концу эксперимента в растворе осталась только PL2, из которой возникла паразитическая сублиния PL3. После 228 цикла HL1 не только использовала собственную репликазу, но также приобрела способность использовать репликазу HL2. Репликаза HL2 использовалась всеми другими РНК-молекулами, в том числе сильно зависящей от нее линией HL3 и паразитической линией PL2. Наконец, паразитическая сублиния PL3 реплицировалась всеми тремя репликазами одинаково, хотя и не с такой эффективностью, как PL2. Таким образом, PL2 может рассматриваться как специфический паразит, а PL3 — как обычный паразит.
В целом, все РНК способствовали балансу репликации друг друга и, таким образом, долгосрочному сосуществованию сети. Согласно выводам ученых, результаты демонстрируют, что дарвиновская эволюция способна сгенерировать из одного типа молекул-репликаторов целую сеть из различных типов репликаторов, прокладывая тем самым путь к возникновению полноценных живых систем.
