Саморепликация РНК - еще один красивый трюк

В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи. - Википедия                                                     

Таковы были основные предпосылки для возникновения гипотезы "мира РНК", которая вызывает большой энтузиазм у эволюционистов. Ведь РНК способна служить как носителем генетической информации, так и катализатором реакций, в том числе катализатором синтеза белков (входя в состав рибосомы). Поэтому, возникнув раньше ДНК и белков, она могла худо-бедно выполнять функции тех и других. Такая вероятность разрывает замкнутый круг типа "курица или яйцо", и многие считают "мир РНК" историческим фактом, не нуждающемся более в доказательствах. А что... звучит даже немного религиозно: "вначале была РНК..."

2009 год принес особенно много оживления в рядах сторонников этой гипотезы, так как были успешно поставлены два сложных и изящных эксперимента. В одном из них группе ученых под руководством Джона Сазерленда удалось синтезировать нуклеозиды уридин и цитидин (входящие в состав РНК) из более простых веществ. Но сейчас я хочу остановиться на другом опыте.

Гипотетически, "мир РНК" мог выжить и развиться только при том условии, что случайно появился некий цикличный процесс саморепликации, который сегодня отличает все живое. Только так могли возникнуть мутирующие колонии олигонуклеотидов, на которые затем мог бы воздействовать естественный отбор. Джеральд Джойс с помощниками, как утверждается, смог создать подобную систему.

За некоторое время до этого были искусственно синтезированы рибозимы-лигазы. Рибозим - это РНК с ферментативными свойствами, то есть способная катализировать химические реакции. Рибозимы-лигазы - это особый класс рибозимов, способных благодаря своей пространственной структуре соединять воедино два конца других молекул РНК на себе, как на матрице.

Джойсу и его группе за несколько лет удалось отобрать такие рибозимы-лигазы, которые способны поддерживать непрерывный процесс саморепликации с достаточно высокой скоростью. Схема сборки этого "лего-конструктора" не так уж и сложна (см. рисунок). Каждый рибозим (E) соединял на себе два фрагмента (A' и B') другого рибозима (E'), тот в свою очередь соединял на себе фрагменты A и B, образуя E, и так далее. В результате получилась бесконечно размножающаяся колония рибозимов. Неужели получен прототип "мира РНК"?

Эффектный результат, следует признать. Но он вселяет мало оптимизма в тех, кто посвящен в подробности. Как обычно, неудобные факты не популяризуются, и даже авторы лишь вскользь упоминают о них в своем отчете.[1] Один такой факт касается самого процесса лигирования (соединения). Это верно, что данную реакцию катализировал  специфический участок рибозима-лигазы. Но если бы 5'-концы лигируемых фрагментов были неактивированными, никакой катализ не мог бы их соединить. Что же такое активация?

Образование фосфодиэфирной связи при репликации.
Для реакции необходим нуклеотид трифосфат.
Побочным продуктом реакции является пирофосфат.

Активация, или фосфорилирование - это процесс переноса фосфатных групп на нуклеозид, после чего он называется нуклеотидом и становится достаточно химически активным для образования фосфодиэфирной связи с 3'-концом другого нуклеотида. Для построения любой цепи ДНК или РНК используются только активированные нуклеотиды. В живой клетке фосфорилированием занимается целый класс белков-ферментов под общим названием киназы (фосфотрансферазы). [2] Без активации нуклеотидов построить из них РНК практически невозможно. А вероятность спонтанной активации достаточного количества нуклеотидов в пребиотических условиях, без участия белков-ферментов, стремится к нулю.[3]

Получается, что главный фокус в бесконечной самосборке рибозимов (как и любой заявленной "саморепликации" нуклеиновых кислот), состоит в том, что в раствор добавляются компоненты с активированными 5'-концами, отчего создается обманчивое впечатление "вечного двигателя". Пока что проблема активации нуклеотидов - это огромная пропасть, разделяющая лабораторные опыты и утопический "мир РНК", но об этом мало говорят. При всей сложности рассмотренного опыта и при всем уважении к многолетнему труду ученых, напрашивается сравнение с цирковым трюком иллюзиониста, где вся интрига теряется, как только раскрыт главный секрет.

_________________________
1 Чтобы не усложнять, я не обсуждаю здесь целенаправленно подготовленные условия и компоненты для проведения опыта, а также другие критические проблемы гипотезы "мира РНК".

2 Фосфатные группы для активации заимствуются у молекул АТФ - своеобразных аккумуляторов, которые, в свою очередь, "заряжаются" на сложнейших "генераторах" (АТФ-синтазах) в результате нашего дыхания (для этого мы, собственно, и дышим).

3 Для биохимиков-эволюционистов проблема фосфориляции нуклеозидов уже более полувека представляет неразрешимую головоломку. Об этом свидетельствуют многочисленные научные эксперименты с целью активировать нуклеозидфосфаты в условиях, близких к тем, что могли быть на пребиотической Земле. Внимательно изучив предлагаемые ими решения, я вынужден признать, что в каждом из них есть хотя бы одно условие, присутствие которого на пребиотической Земле крайне маловероятно. 
Например, Юкио Ямагата (1999) открыто признает, что все предшествовавшие попытки фосфорилировать аденозин в водной среде были безуспешны. Удавалось достичь скромных результатов только в сухой среде и при экстремальных температурных перепадах. Лично я готов принять к рассмотрению только опыты в водном растворе, как главном условии жизни.
Сам Юкио Ямагата, хотя и проводил опыт в водном растворе, использовал цианат натрия в качестве конденсирующего реагента, а эта соль не может долго существовать в воде и вообще не встречается в чистом виде на Земле (ее якобы обнаруживали в космических облаках). Без цианата фосфорилирование не проходило. Также он применял монофосфат калия и дигидрат хлорида кальция для получения фосфата кальция, что еще более уменьшает вероятность случайной подобной реакции в природе.
Наконец, если даже допустить, что при чудесном стечении условий образовалось достаточное кол-во нуклеозидтрифосфатов, они сравнительно быстро гидролизируются до дифосфатов и монофосфатов (по этой же причине мы практически не получаем нуклеозидтрифосфатов с животной и растительной пищей, а АТФ не запасается в организме).

Читайте также: Понятие энтропии применительно к биохимическим реакциям