Создана простая химическая система, имитирующая ДНК
Группа учёных из исследовательского института Scripps создала новый аналог ДНК, который собирается и разбирается самостоятельно, без необходимости в ферментах. Так как система состоит из компонентов, которые вполне могли находиться в древнейшем мире, то, возможно, это поможет ответить на вопрос о происхождении жизни.
Работа, опубликованная в журнале Science, может так же стать началом новых необычных самовосстанавливающихся материалов, способных к изменению своей формы в зависимости от окружающей среды.
Учёные давно задаются вопросом о происхождении жизни на Земле. В одной из основных теорий считается, что до того, как появилась ДНК, ранние формы жизни использовали РНК для передачи своего генетического кода. Соавтор нынешней работы Лесли Оргел (Leslie Orgel) впервые предположил эту идею, называемую «миром РНК».
Одной из трудностей данной теории является то, что РНК все-таки очень сложная молекула, и многие учёные считают, что ей должно было предшествовать что-нибудь более простое. «Я работал многие годы над изучением репликационных и генетических систем, которые могли бы предшествовать миру РНК», говорит руководитель группы, профессор Реза Гадири (Reza Ghadiri).
Исследователи сконцентрировали своё внимание на первоначальной роли аминокислот. В 1996 году, эта группа впервые показала возможность саморепликации цепочек аминокислот, или пептидов, в условиях отсутствия ферментов. В нынешней работе они создали иной тип информационной системы, которая даже способная к процессам, сходным Дарвиновской эволюции.
Простые составляющие
В то время как большинство предыдущих работ с аналогами ДНК, например, с ПНК (пептидная нуклеиновая кислота) были сфокусированы на нуклеиновых основаниях, закреплённых на остове, у Гадири появилась идея работы с более простыми составляющими. Если связи между блоками будут легко обратимыми, в отличие от связей в ДНК и ПНК (PNA), то это позволит обойтись без ферментов и сохранить основные характеристики кодовой информации. Сейчас, оглядываясь назад и анализируя свой удачный эксперимент, Гадири говорит: «Это одна из тех вещей, когда ты говоришь сам себе, “и почему я не подумал об этом раньше?”».
Новая система содержит два типа главных составляющих. Остов состоит из шаблонной комбинации пептидов из аминокислоты цистеина, которая является доступной и реакционно-способной в этой системе. Эти пептиды взаимодействуют со сходными нуклеиновыми основаниями ДНК, но здесь каждое нуклеиновое основание чередуется с тиоэфиром.
Тиоэфиры формируют обратимые связи с цистеином и создают тиоэфирную пептидную нуклеиновую кислоту (тПНК, tPNA). Это позволяет нуклеиновым основаниям соединяться и разбираться самим по себе, без ферментов. Таким образом, данная пептидная цепочка будет держать нуклеиновые основания.
Если в раствор с тПНК поместить сегмент одноцепочечной ДНК, то нуклеиновые основания автоматически сформируют связи на пептидной цепочке, комплементарные сегменту ДНК, согласно Уотсон-Криковским парам: аденин-тимин, цитозин-гуанин.
Комплементарные тПНК и ДНК цепочки свяжутся, но эта связь может быть разорвана при добавлении к нашей смеси комплементарной ДНК, которая вытеснит тПНК. Связи ДНК-ДНК стабильны, при этом цепочка тПНК разбирается.
Группа Гадини так же показала, что цепочка тПНК может играть роль матрицы, по которой строится комплементарная цепь тПНК, т.е. основная цель – саморепликация тПНК - достигнута.
Соблазнительные возможности
Все химические компоненты тПНК вполне могли существовать в мире задолго до начала жизни. «Таким образом, становится очень соблазнительным думать о том, что, возможно, пептиды и нуклеиновые кислоты могли формировать древнейшие генетические системы», говорит Гадини. тПНК легко разбирается, поэтому в действительности она не может передавать информацию, однако это именно то, что называется жизнью.
Для лучшего понимания роли тПНК в древнем мире, эта группа исследователей сейчас изучает возможности химического изменения блоков тПНК, которые могли бы привести к фиксации цепи и, таким образом, позволить пройти передаче информации. Учёные так же пытаются определить структуру тПНК, которая может, как напоминать двойную спираль ДНК, так и выглядеть совершенно иначе.
Кроме вопросов о происхождении жизни, данная работа предоставляет отдалённые, но очень волнующие возможности, особенно учитывая бесконечные варианты создания сходных тПНК систем, используя разные химические составляющие. Такие системы могли бы привести к формированию новых ферментов, катализирующих необходимые реакции. «Получение структур, свёрнутых как нуклеиновые кислоты, но содержащих белки, наверняка, приведет к новым возможностям», говорит Гадири.
Можно представить еще и варианты, достойные звания научной фантастики. Материалы, основанные на тПНК, могли бы самовосстанавливаться при разрушении. Другая возможность, связанная с реорганизацией тПНК при предоставлении новой матрицы, состоит в создании материалов, способных изменяться под влиянием сигналов окружающей среды.
«В принципе можно сделать огромное количество вещей. Это только начало».
