Что было раньше: нуклеиновая кислота или белок

Американским ученым удалось создать молекулу, которая могла быть предком современных молекулярных носителей наследственной информации в живой клетке - нуклеиновых кислот. Ее назвали ТНК, поскольку в состав этого вещества входит четырехуглеродный сахар тетроза. Предполагается, что в процессе эволюции именно от нее произошли известные нам ДНК и РНК.

До сих пор ученые, занимающиеся реконструкцией событий, произошедших на Земле около четырех миллиардов лет тому назад, не могут ответить на один простой и в то же время очень важный вопрос - каким образом появилась дезоксирибонуклеиновая кислота, или, если проще, ДНК?

Ведь без этой молекулы первые живые клетки (или их предшественники) не могли сохранять информацию о структуре белков, что необходимо для самовоспроизводства. То есть без ДНК жизнь просто не смогла бы распространиться по нашей планете, как в пространстве, так и во времени.

Многочисленные опыты показали, что сама по себе ДНК собраться не может, в какие условия не помещай все ее "запчасти". Для того, чтобы создать эту молекулу, необходима деятельность нескольких десятков белков-ферментов. А раз так, то сразу же в рассуждениях эволюционистов возникает порочный круг наподобие проблемы первичности курицы и яйца: откуда могли появиться ферменты, если нет самой ДНК? Ведь информация об их строении записана именно в этой сложной молекуле.

Правда, в последнее время некоторые молекулярные биологи предлагают выход из этого тупика: они считают, что прежде наследственная информация хранилась в "сестричке" ДНК, рибонуклеиновой кислоте, или РНК. Ну, а эта молекула в определенных условиях способна к самокопированию, и многочисленные эксперименты это подтверждают (подробнее об этом можно прочесть в статье "В начале была... рибонуклеиновая кислота").

Вроде бы выход был найден - сначала рибозимы (так называют молекулы РНК, обладающие ферментативной активностью) копировали сами себя и попутно, мутируя, "обзаводились" информацией о новых полезных белках. Через какое-то время этой информации накопилось столько, что РНК "поняла" одну простую вещь - теперь уже не нужно самой заниматься достаточно сложной работой по самокопированию. А вскоре следующий цикл мутаций превратил РНК в более сложную, но в то же время и стабильную ДНК, которая уже совсем не занималась такими "глупостями".

Однако все равно окончательный ответ на вопрос о том, каким образом появились нуклеиновые кислоты, найден не был. Поскольку все равно оставалось непонятным то, как появилась самая первая РНК, обладающая способностью копировать саму себя. Ведь даже она, как показали эксперименты, не способна к самосборке - ее молекула тоже весьма сложна для этого.

Некоторые молекулярные биологи правда, предполагали, что, возможно, в те далекие времена могла существовать другая нуклеиновая кислота, устроенная более просто, нежели ДНК и РНК. И именно она сначала и была молекулой, хранящей информацию.

Однако проверить подобное предположение достаточно сложно, поскольку в настоящее время никаких других "хранителей" информации из группы данных кислот, кроме ДНК и РНК, не существует. Тем не менее, современные методы биохимии позволяют воссоздать подобное соединение, а потом экспериментально проверить, подходит ли оно на роль "главной молекулы жизни" или нет.

И вот недавно ученые из Аризонского университета (США) предположили, что общим предком ДНК и РНК могла быть ТНК, или тетрозонуклеиновая кислота. Она отличается от своих потомков тем, что "сахарофосфатный мостик" этого вещества, скрепляющий азотистые основания (или нуклеотиды) содержит не пентозу - сахар из пяти атомов углерода, а четырехуглеродную тетрозу. А сахара данного типа намного проще, чем пятиуглеродные кольца ДНК и РНК. И, что самое главное, они могут собираться сами - из двух идентичных двухуглеродных кусков.

Американские биохимики попробовали создать несколько коротких молекул тетрозы и в процессе работы выяснили, что для этого вовсе не нужно задействовать массивный и сложный ферментативный аппарат - кислота при определенных условиях собиралась в насыщенном растворе из "запчастей" с помощью всего лишь двух ферментов.

То есть она действительно могла появиться в самом начале формирования жизни. И пока первые живые организмы не смогли обзавестись ферментативным аппаратом, способным синтезировать РНК и ДНК, то именно ТНК и была хранителем наследственной информации.

Но могла ли в принципе эта молекула выполнять столь ответственную роль? Сейчас напрямую это невозможно проверить, поскольку не существует белков, способных считывать с ТНК информацию. Однако аризонские молекулярные биологи решили пойти другим путем. Они провели любопытный эксперимент - попробовали соединить нити ДНК и ТНК друг с другом. В результате получилась гибридная молекула - в середине цепочки ДНК располагался фрагмент из ТНК длиной в 70 нуклеотидов. Интересно, что эта молекула была способна к репликации, то есть к самокопированию. А это свойство является важнейшим для любого молекулярного носителя информации.

Более того, ученые показали, что молекула ТНК вполне может соединяться с белком и, соответственно, получать при этом ферментативные свойства. Исследователи провели ряд опытов, которые продемонстрировали, что из ТНК могла получиться структура, специфично связывающаяся с белком тромбином: цепочка ТНК образовывалась на цепочке ДНК, но после ухода ДНК она не теряла особенностей своего строения и продолжала специфично удерживать белок.

Фрагмент ТНК имел в длину 70 нуклеотидов, чего вполне достаточно, чтобы создать уникальные "посадочные места" для белков-ферментов. То есть из ТНК тоже могло получиться что-то вроде рибозима (напомню, что его составляют РНК, связанные с белком).

Итак, опыты показали, что ТНК вполне могла быть предком ДНК и РНК. Последняя, возможно образовалась несколько раньше в результате серии мутаций, которые привели к замене тетрозы пентозой. А далее с помощью естественного отбора выяснилось, что рибонуклеиновая кислота более устойчива и стабильна, чем ее тетрозная предшественница (тетрозы действительно весьма неустойчивы к ряду химических воздействий). И таким образом потомок конкурентно вытеснил своего предка из ниши молекулярного носителя информации.

Возникает вопрос - а мог ли быть и у ТНК какой-нибудь предок, содержащий более простой, нежели тетроза, сахар в своем составе? Скорее всего, нет и вот почему. Только начиная с четырех атомов углерода сахара могут образовывать циклические структуры, трехуглеродные углеводы к этому неспособны. Ну, а без этого нуклеиновая кислота не образуется - лишь циклическим молекулам сахаров под силу удержать все остальные компоненты данного вещества. Так что, похоже, ТНК действительно была первой.

Следует заметить, что авторы работы вовсе не утверждают, что "все именно так и было". Строго говоря, они лишь доказали возможность существования предковой формы рибонуклеиновых кислот, такой, как ТНК (которая, кстати, в современном мире в естественной среде не встречается). Ценность открытия заключается в том, что был показан один из вероятных путей эволюции молекулярных носителей наследственной информации. Ну, и, наконец-то, разрешен старый спор о том, что же появилось раньше - нуклеиновая кислота или белок...