Эволюция рибозимов без помощи белков (ну, почти)
Новое видео на моем YouTube канале
Теория РНК-мира за четыре десятилетия своего существования прошла путь от красивой, но чисто умозрительной идеи до солидной и почти общепризнанной теории, подкрепляемой большим массивом экспериментальных данных. Сейчас параллельно развивается целый ряд направлений экспериментальной работы, фокусирующихся на разных этапах становления и развития РНК-мира: от абиогенного синтеза нуклеотидов, полимеризации случайных молекул РНК на минеральных матрицах и неферментативной репликации до происхождения рибосомы и программируемого синтеза белков.
Одним из таких направлений является изучение рибозимов-полимераз, то есть таких молекул РНК, которые катализируют размножение (репликацию) молекул РНК. На самых ранних этапах становления РНК-мира молекулы РНК, вероятно, реплицировались неферментативно, то есть без участия сложных катализаторов, таких как рибозимы или, тем более, белковые ферменты. В дальнейшем должны были эволюционировать всё более эффективные, быстрые и точные рибозимы-полимеразы. У современных живых организмов таких рибозимов нет: репликацию нуклеиновых кислот обеспечивают эффективнейшие белковые полимеразы, которые, надо полагать, давно вытеснили своих неуклюжих РНК-предшественников. Но если теория РНК-мира в принципе верна, то в прошлом, до появления рибосомного синтеза белков (и, соответственно, до начала эволюции полноценных белковых ферментов), скорее всего, существовали рибозимы-полимеразы, эффективность которых была достаточной для того, чтобы обеспечить полноценную дарвиновскую эволюцию сложных функциональных молекул РНК. Ну а если такие рибозимы существовали в прошлом, то их можно воссоздать в лаборатории.
Ученые пытаются это сделать начиная с 1990-х годов, комбинируя методы искусственной эволюции и разумного дизайна. Рабочие характеристики выведенных в лаборатории рибозимов-полимераз шаг за шагом улучшаются. Однако до сих пор не удавалось преодолеть принципиально важный рубеж, связанный с точностью репликации (error threshold). Для того, чтобы размножаемые полимеразой молекулы РНК могли эволюционировать по Дарвину, необходим определенный уровень точности копирования, называемый иногда «порогом Эйгена». Если точность ниже этого уровня, отбор не сможет справиться со своими главными задачами: отбраковкой вредных мутаций и закреплением полезных. В результате наследственная информация не будет ни сохраняться, ни накапливаться в ряду поколений, а будет только деградировать и исчезать. Рибозимы будут терять функциональность, превращаясь в случайные нуклеотидные последовательности.
Какой именно уровень точности репликации соответствует порогу Эйгена, зависит от параметров отбора: чем он эффективнее, тем больше ошибок может позволить себе полимераза. При параметрах, считающихся реалистичными (хотя тут все очень спорно и трудно измеряемо в эксперименте), порог Эйгена лежит где-то в диапазоне от одной до нескольких мутаций на геном за поколение. До сих пор ни один рибозим-полимераза (не говоря уж о неферментативной репликации РНК) не добивался такой точности, даже если в роли «генома», подлежащего репликации, выступает совсем маленький и простенький (но все-таки выполняющий какую-то функцию) рибозим.
В статье, опубликованной недавно в журнале PNAS, группа американских исследователей во главе с Джеральдом Джойсом (Gerald Joyce) сообщила о преодолении этого важнейшего рубежа.
Подробности в новом видео: https://www.youtube.com/watch?v=Gp9BX5L4p3Y
Статья
**************
Канал существует благодаря вашей поддержке, за что вам огромное спасибо
Есть три способа поддержать мою работу:
1) Стать спонсором YouTube канала (там под видео должна быть кнопочка)
2) Патреон
3) Бусти