Ученые нашли возможное решение одной из главных загадок происхождения жизни: как молекулы РНК могли собираться вместе и сохраняться на ранней Земле, когда клеток с защитными оболочками еще не существовало. Исследователи Университета Буффало выяснили, что РНК способна самостоятельно образовывать плотные жидкоподобные капли, а преимущество перед ДНК обеспечивает практически незаметное различие в химическом строении молекул. Результаты исследования опубликованы 31 июля в Nature Communications.
Работа касается гипотезы РНК-мира, согласно которой РНК появилась раньше современных клеток и могла одновременно хранить генетическую информацию и ускорять химические реакции. Подобное сочетание функций делает РНК одним из возможных предшественников системы из ДНК, белков и РНК, на которой основана современная жизнь. Однако гипотеза сталкивается с серьезной проблемой: РНК сравнительно нестабильна, а отдельным молекулам в древней водной среде было бы трудно собираться в достаточной концентрации для взаимодействия. Возможные механизмы самокопирования древней РНК ученые также пытаются воспроизвести в лаборатории.
Одним из решений могли стать конденсаты, небольшие скопления молекул, напоминающие капли жидкости и не окруженные мембраной. Подобные структуры способны собирать большое количество РНК в ограниченном пространстве, облегчать взаимодействие молекул и частично защищать содержимое от неблагоприятной среды.
В 2023 году группа уже обнаружила, что РНК способна самостоятельно проходить фазовое разделение при нагревании. Для образования капель требуются ионы магния, а отдельные молекулы РНК внутри конденсатов могут соединяться в сети. Новая работа продолжила предыдущие эксперименты и попыталась выяснить, почему РНК демонстрирует подобное поведение заметно охотнее ДНК.
Ученые сравнили РНК с одноцепочечной ДНК, содержащей практически такие же последовательности. РНК начинала образовывать капли при температуре примерно на десять градусов Цельсия ниже, чем соответствующая ДНК. Разница показала значительно более высокую склонность РНК к конденсации.
Различия обнаружились и внутри самих капель. Молекулы РНК легче соединялись в разветвленные сети, поэтому первоначально жидкий конденсат постепенно приобретал свойства геля. Более плотная структура могла дольше удерживать молекулы рядом друг с другом и дополнительно защищать РНК от неблагоприятных условий ранней Земли.
Причина различий между РНК и ДНК оказалась связана с одной небольшой химической деталью. Сахарная часть РНК содержит 2'-гидроксильную группу, или 2'-OH, которой нет у ДНК. Фактически речь идет всего об одном дополнительном атоме кислорода на каждую сахарную единицу молекулы.
Исследователи использовали микроскопию с контролем температуры, малоугловое рентгеновское рассеяние и моделирование молекулярной динамики. Эксперименты показали, что 2'-OH влияет на взаимодействие РНК с ионами магния и окружающей водой. У РНК возле молекулярного остова удерживается меньше воды, а взаимодействие с магнием способствует сближению цепочек. При нагревании сочетание двух факторов облегчает образование конденсатов.
Роль 2'-OH проверили и прямым экспериментом. Ученые химически модифицировали группу, превратив ее в 2'-O-Me, разновидность модификации, которая встречается в природных РНК. После изменения склонность молекул к конденсации снизилась, а свойства образующихся капель поменялись. Минимальное изменение химического строения оказалось способно влиять не только на образование конденсатов, но и на переход РНК из текучего состояния в гелеобразную сеть.
Полученные результаты не доказывают, что жизнь действительно возникла внутри капель РНК. Работа предлагает физический механизм, который мог решить сразу две проблемы гипотезы РНК-мира: собрать разрозненные молекулы в одном месте и предоставить более защищенную среду еще до появления клеточных мембран. Исследования происхождения первых молекулярных систем идут сразу по нескольким направлениям, включая поиск условий для образования строительных блоков РНК и изучение химических процессов, которые могли происходить на молодой Земле.
Следующим шагом станет создание программируемых капель РНК, способных выполнять простейшие клеточные функции, включая биохимические реакции. Команда хочет получить активные динамические структуры размером с клетку и проверить, способны ли полностью состоящие из РНК компартменты вести себя как простейшие протоклетки. Успешные эксперименты помогут понять, могли ли самоорганизующиеся капли стать промежуточным этапом между отдельными молекулами и первыми клеточными организмами.