Синтез белка — основа всей жизни на Земле. И это слишком сложный механизм, чтобы возникнуть в готовом виде. Однако это не аргумент в пользу существования Творца, а всего лишь интересная задача для исследователей. По оценке специалистов, он возник около 4 млрд лет назад, развившись эволюционным путем из более простых химических реакций.
Исследователи из Университета Северной Каролины (США) и Оклендского университета (Новая Зеландия), о работе которых рассказывает Science Daily, решили проверить эту гипотезу и понять, как именно появился синтез белка. Для этого они обратились к изучению транспортной РНК, или тРНК. Эта молекула в форме трилистника играет ключевую роль в сборке белков.
Однако процесс начинается раньше, когда на основе ДНК формируется матричная РНК — инструкция по синтезу белка. Она покидает ядро и соединяется с рибосомой — своеобразной клеточной фабрикой.
Здесь в игру вступают тРНК. Каждая из них несет определенную аминокислоту и имеет сродство к конкретному трехнуклеотидному участку мРНК. Эти участки называются кодонами. Когда тРНК прикрепляется к своему кодону, она присоединяет аминокислоту к концу растущего белка. Так, шаг за шагом, образуется целый белок.
Всего в синтезе белка у человека и большинства живых организмов участвует 20 различных аминокислот. А значит, существует 20 различных типов тРНК и 20 синтетаз — ферментов-помощников, которые соединяют их с нужной аминокислотой.
Команда ученых поставила перед собой задачу понять, как этот сложный механизм появился миллиарды лет назад.
Ранее им уже удалось доказать, что 20 современных синтетаз происходят от двух простых предковых ферментов. Что касается аминокислот, то изначально их тоже было две, а остальные 18 были включены позже. По мнению исследователей, у тРНК была аналогичная эволюционная история. Таким образом, изначально существовали всего два вида тРНК, которые переносили два вида аминокислот, а соединяли их синтетазы двух видов.
С течением времени система становилась все более сложной и специализированной. Каждая синтетаза и тРНК дали начало двум классам по 10 вариантов в каждом, которые обеспечили перенос 20 аминокислот.
Чтобы доказать эту гипотезу, ученые исследовали структуру современных тРНК. Основное внимание было сосредоточено на верхней части молекулы, известной как акцепторный стебель. Именно сюда прикрепляются синтетазы. Анализ показал, что здесь расположены три нуклеотида, которые определяют принадлежность тРНК к одному из двух классов. Это соответствует двум классам синтетаз.
По мнению исследователей, в процессе эволюции в метаболические пути включалось все больше аминокислот. Параллельно развивались и тРНК. Места связывания становились более специфичными, но в них до сих пор можно обнаружить следы первоначальной структуры.
Попутно исследователи смогли доказать еще одну гипотезу. Они обратились к другой области тРНК — антикодону, с помощью которого молекула прикрепляется к мРНК. Этот фрагмент находится достаточно далеко от точек связывания синтетаз. Однако еще около 30 лет ученые предположили, что когда-то тРНК были намного меньше и эти участки были объединены в один. Нынешняя работа подтвердила эту идею. Ученые обнаружили, что второй нуклеотид в месте связывания синтетаз представляет собой след древнего антикодона.
Специалисты полагают, что смогут в лабораторных условиях восстановить работу древней системы синтеза белка. Возможно, им даже удастся имитировать ход эволюции и добиться ее превращения в более сложные формы.
Это еще раз продемонстрировало бы, как сложная жизнь развилась на основе простейших предковых форм.
Синтез белка возник около 4 млрд лет назад, но аминокислоты появились намного раньше. Согласно новому исследованию, они широко распространились по Вселенной за 9 млрд лет до появления жизни и всего через 168 млн лет после Большого взрыва.
Из этого следует несколько выводов. Во-первых, процесс появления жизни мог быть проще, чем казалось ранее, ведь «кирпичики» — аминокислоты уже были в наличии. Во-вторых, аминокислоты больше не могут считаться маркером внеземной жизни. Тем не менее, ученые продолжают с энтузиазмом воспринимать новости об обнаружении сложных органических молекул на других планетах. Недавно такие соединения были обнаружены на спутнике Сатурна — Энцеладе.
