Книга Дикие гены - Хельга Хофман-Зибер

Над вопросом возникновения жизни ломал голову еще Чарлз Дарвин. Первого февраля 1871 года он так описывал ход своих мыслей одному из друзей: в самом начале на пока еще мертвой Земле появился «небольшой теплый пруд», в котором простые химические соединения под действием света, тепла, электричества и других факторов соединились, образовав первую жизненную форму. Однако уже вскоре он отказался от этой идеи и написал, что все это чушь и что на данном этапе развития науки не имеет смысла всерьез размышлять об истоках жизни.

Даже почти сто лет спустя, когда наши познания в биологии существенно углубились, этот момент по-прежнему оставался загадкой. Что было ступенью, непосредственно предшествовавшей жизни? Она еще не могла быть столь сложной, как собственно жизнь, строящаяся на ДНК, РНК и белках, но все же должна была обладать способностью к размножению и развитию. Базовое построение клетки представляет собой настоящий гордиев узел. Для размножения ДНК клетке требуются РНК и белки. Чтобы производить белки, нужны ДНК и РНК. А РНК создается при считывании информации с ДНК с помощью белковых механизмов. И все это находится в неразрывной связи. Ни одно из звеньев не может быть опущено. Где же искать начало этого круговорота?

Решающим шагом к развязыванию узла стало исследование группы коротких молекул транспортных РНК, или тРНК. Эти молекулы играют крайне важную роль в синтезе белков. Они располагают нужными аминокислотами и могут распознавать кодоны мРНК. Это делает их центральными промежуточными элементами между генетическим кодом и белком. Такая их способность объясняется специфической структурой. Они состоят из одной нити, которая складывается таким образом, что отдельные участки РНК соединяются сами с собой, образуя короткие двойные нити. Благодаря этому осуществляется фиксация тРНК в сложной трехмерной форме с удвоением некоторых участков. Поэтому молекулы тРНК выглядят совершенно не так, как монотонная правильная двойная спираль ДНК. Фрэнсис Крик, считающийся открывателем двойной спирали, придал этой структуре огромное значение: «Молекула тРНК выглядит так, словно природа пытается возложить на нее задачи, присущие белкам!» Таким образом, тРНК стала доказательством того, что РНК не довольствуется ролью чистого передатчика информации. Благодаря перекрещиванию нити она, подобно белку, образует особые структуры и берет на себя активные функции.

Эти наблюдения стали источником вдохновения для трех ученых. В 1967–1968 годах они независимо друг от друга высказали идею, позволяющую разрешить проблему. Это были Фрэнсис Крик, американец Карл Вёзе (с ним мы подробнее познакомимся в 4-й главе) и англичанин Лесли Илизер Орджел. Орджел, являвшийся, между прочим, одним из участников «Клуба галстуков РНК», был ученым до мозга костей. Любовь к химии проявилась у него еще в подростковом возрасте, когда Лесли увлеченно изготавливал взрывчатку и применял ее на практике… Поэтому, если малолетняя шпана пытается взорвать ваш гараж, подумайте о том, что вы, возможно, имеете дело с научной элитой завтрашнего дня!

Исходя из свойств тРНК, все трое предположили, что в прошлом мог существовать такой механизм синтеза белков, при котором не требовалось брать за основу уже существующий белок. Для образца использовалась мРНК, в качестве передатчика кода выступала тРНК, а машина РНК производила белок. У сегодняшних живых организмов (это было известно уже в то время) такой машиной является рибосома – большой белковый комплекс, содержащий встроенные нити РНК, так называемые рибосомные РНК, или рРНК. Может, это реликт прежних времен?

Но раз уж ученые зашли в своих предположениях так далеко, то эту идею можно довести до логического конца: если для производства первых белков требовалась только РНК, следовательно, РНК появилась раньше белка. А поскольку РНК может одновременно выступать в роли носителя информации и активной синтезирующей структуры, то она древнее ДНК. Короче говоря, был сделан вывод о том, что в неразрывной на первый взгляд троице первой появилась РНК!

Идея была очень привлекательной, но недостаточно обоснованной. В конце концов, она строилась лишь на предположении, что РНК в состоянии выполнять функцию энзима. К сожалению, все известные на тот момент энзимы были белками. И даже если сам мистер Крик считал, что молекула тРНК выглядит как молекула белка, это еще не могло считаться доказательством. Нобелевская премия за двойную спираль была тут слабым аргументом.

Все последующие годы ситуация оставалась в подвешенном состоянии, но в 80-е годы случилось нечто невероятное: удалось обнаружить молекулы РНК, которые действительно работали как энзимы. Во-первых, был открыт комплекс из РНК и белка РНКаза Р, в котором главную работу выполняла как раз РНК, а не белковая часть. Во-вторых, было сделано наблюдение, что молекулы рРНК, встроенные в рибосомы одноклеточных организмов, могут сами разделять себя на части и затем вновь соединяться (позднее ученые узнали, что то же самое может происходить и с различными молекулами тРНК и мРНК). Такие РНК-энзимы получили короткое и прагматичное наименование рибозимов.

В канун нового тысячелетия добавился еще один решающий аргумент: было установлено, что сердцевина рибосомы (та самая структура, в которой аминокислоты фактически превращаются в белки) состоит только из РНК. Все эти открытия настолько уверенно подкрепили шаткую доселе идею, что она стала господствующей (если не единственной) из всех, что описывали время до зарождения жизни, и получила звучное название «гипотезы мира РНК».

Необходимо еще раз подчеркнуть: речь идет о гипотезе, и, если даже в ее пользу говорит сегодня очень многое, полной уверенности до сих пор нет. Кроме того, существуют весьма разнообразные мнения относительно того, как в реальности мог выглядеть мир РНК. Вы хотите в него заглянуть? Хорошо. Тогда мы откроем входную дверь и выйдем наружу, в мир РНК.

Чтобы гипотеза мира РНК была обоснованной, в прошлом должна была существовать РНК, способная к размножению. Лучшим доказательством было бы обнаружение древнего экземпляра такой РНК. На сегодняшний день мы им не располагаем, но ученые уже с 1980-х годов пытались создать такую РНК в процессе искусственной эволюции в пробирке. В 2013 году им это удалось. Был получен рибозим, состоящий из 202 фрагментов и способный синтезировать РНК из 206 фрагментов. Не все последовательности РНК удалось соблюсти, и полученный рибозим не мог самостоятельно размножаться, но это открытие весьма ощутимо подкрепило гипотезу мира РНК. Продолжаются поиски варианта, который действительно сможет воспроизводить сам себя.

От нашего времени этот мир отделяет примерно 3,8 миллиарда лет. Землю бомбардирует поток метеоритов. Вулканы бурлят и выплевывают в ядовитую атмосферу дым и лаву. Под плотными облаками древние моря обрушивают волны на обрывистые прибрежные скалы. Где-то в этих водах плавают крошечные круглые и нитевидные структуры, состоящие из тонкой мембраны, образованной жирными кислотами, и коротких молекул РНК, обладающих необычной способностью – работать как рибозимы и размножаться, копируя нити РНК.