Что было важнее для возникновения жизни: белки или нуклеиновые кислоты? По-видимому, белки — при условии, что у них было достаточно времени на превращение в процессе роста в самовоспроизводящиеся катализаторы.
Как правило, в научных рассуждениях на тему возникновения земной жизни, главную роль играют молекулы РНК, а белки остаются в тени. Однако под влиянием новой компьютерной модели, в рамках которой ранние биополимеры в процессе длительного роста способны, складываясь, создавать сложные структуры с полезными для жизни свойствами, ситуация может резко измениться. Если лабораторные эксперименты подтвердят истинность данной модели, репутация белков как исходных самовоспроизводящихся биомолекул будет восстановлена.
Учёным, выясняющим происхождение жизни, чрезвычайно важно найти правильный ответ на вопрос, родственный вопросу о курице и яйце: что первично — белки или нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)? Примерно четыре миллиарда лет назад на базе исходного химического материала появились длинные полимеры, способные к самовоспроизведению и выполнению таких необходимых для жизни функций, как хранение информации и катализ химических реакций. На протяжении почти всего времени существования жизни первую функцию выполняли нуклеиновые кислоты, а вторую — белки. Интересно, что ДНК и РНК выступают как носители инструкций для получения белков, а белки извлекают и копируют эти инструкции в виде ДНК или РНК. Какие молекулы изначально могли самостоятельно выполнять обе указанные функции?
В течение десятилетий при ответе на данный вопрос учёные отдавали предпочтение молекулам РНК — особенно после того, как в 1980-х годах было установлено, что РНК, подобно белку, может складываться и катализировать реакции. Теоретические и экспериментальные данные, появившиеся позднее, сделали гипотезу о «мире РНК», согласно которой жизнь возникла на базе РНК, способной катализировать образование новых РНК, ещё более правдоподобной.
Однако РНК чрезвычайно сложна и чувствительна, поэтому ряд экспертов скептически оценивает возможность её спонтанного появления в суровых условиях пребиотического мира. Более того: весьма сомнительно, что в этой среде цепи и нуклеиновых кислот, и аминокислот способны вырасти до значительных размеров, а, чтобы играть роль катализаторов, молекулы как РНК, так и белков должны иметь форму длинных сложенных цепей.
Этим летом в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) Кен Дилл (Ken Dill) и Елизавета Гусева (Elizaveta Guseva) из Университета Стоуни-Брук (State University of New York at Stony Brook) штата Нью-Йорк вместе с Рональдом Цукерманном (Ronald Zuckermann) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory) в Калифорнии представили возможное решение данной проблемы. Оно — и это типично для моделей — очень простое. Дилл разработал его в 1985 году, когда исследовал «проблему складывания белка» — вопрос о том, как последовательность аминокислот определяет сложную структуру белка. Дилловская гидрофобно-полярная (HP) модель складывания белков делит 20 аминокислот на субъединицы двух типов, изображаемые синими и красными бусинками в ожерелье: синие — водолюбивые (гидрофильные) аминокислоты (полярные мономеры), красные — водоотталкивающие (гидрофобные) аминокислоты (неполярные мономеры). Согласно этой модели, цепочка бусинок может последовательно складываться в узловых пунктах двухмерной решётки, как если бы бусинки размещались на смежных квадратах шахматной доски. В каком квадрате окажется данная бусинка, зависит от стремления красных, гидрофобных бусинок прижиматься друг к другу так, чтобы лучше избегать воды.
В 1990-е годы Дилл, будучи биофизиком, использовал созданную им модель для ответа на вопросы об энергетических ландшафтах и складках белковых цепей. И лишь недавно в его голову пришла, наконец, идея применить гидрофобно-полярную модель к раннему периоду существования Земли и к исследованию перехода от пребиотической химии к биотической. «Химический мир бескорыстен, а биотический, напротив, эгоистичен, — говорит Дилл. — И как же впервые проявилась эта эгоистичность?»
По мнению Дилла, чтобы ответить на данный вопрос, нужно исследовать фолдамеры, то есть способные складываться полимеры. С помощью своей модели биофизик создал набор перестановок гидрофобных и полярных мономеров: полный ассортимент всевозможных красно-синих ожерелий длиной до 25 бусинок. Только 2,3 процента этих цепей сжимаются в компактные фолдамерные структуры. И лишь 12,7 процента из них — всего 0,3 процента от исходного набора — складываются в конформации, на поверхности которых имеется красная полоска: гидрофобный участок, состоящий из красных бусинок.
Красная полоска способна играть роль привлекательной, липкой посадочной площадки для гидрофобных участков последовательностей, проплывающих рядом. Если на этой полоске одновременно окажутся отдельная красная бусинка и краснохвостая цепь, то, встретившись друг с другом, они, по законам термодинамики, должны соединиться в цепь. Другими словами, красная полоска действует как катализатор для удлинения полимеров, десятикратно ускоряя данный процесс. И хотя такое ускорение невелико, оно, по словам Дилла, имеет большое значение.
Автокаталитическое оригами
Большинство удлинившихся полимеров просто-напросто продолжает своё движение. Но некоторые полностью складываются, а часть из них даже имеет на поверхности, как и исходный катализатор, собственную гидрофобную полоску. Когда такое случается, сложившиеся молекулы с посадочными площадками не только продолжают снова и снова формировать длинные полимеры, но, кроме того, способны создавать то, что называют автокаталитическим набором: в нём фолдамеры прямо или косвенно катализируют появление своих копий. Иногда два фолдамера (их может быть и больше) участвуют во взаимном катализе, усиливая реакции, необходимые для формирования и того и другого. Хотя автокаталитические наборы возникают редко, со временем их количество экспоненциально растёт, и в конце концов возникает пребиотический бульон. «Это всё равно, что зажечь спичку и устроить лесной пожар», — поясняет Дилл.
«В этом весь фокус, — добавляет он, — крохотный случай способен вызвать событие огромного масштаба».
Всё, что необходимо для того, чтобы начался лавинообразный процесс, приведший к появлению жизни, — это отдельные последовательности гидрофобных и полярных аминокислот. Их поведение Дилл способен предсказывать. «Согласно модели Дилла, вам нужно знать всего лишь два свойства аминокислот, — подчёркивает Петер Шустер (Peter Schuster), химик-теоретик, почётный профессор Венского университета (нем. Universität Wien). — Это прекрасный теоретический результат».
«Гипотеза о мире РНК, объясняющая происхождение жизни, оказалась сомнительной», — утверждает Эндрю Похорилл (Andrew Pohorille), директор Центра вычислительной астробиологии и фундаментальной биологии НАСА (NASA’s Center for Computational Astrobiology and Fundamental Biology, NCCAFB). Для него и некоторых других учёных белки — «более естественная отправная точка», ибо, по сравнению с ДНК и РНК, получить их гораздо легче. Похорилл полагает, что система хранения информации самых ранних клеток была менее сложной, чем современная — та, в основе которой лежат нуклеиновые кислоты.
«Нам не нравилась гипотеза о белковом мире, потому что мы не знаем, как реплицировать белки, — добавил он. — И вот перед нами попытка показать, что, даже не умея реплицировать белки так же, как РНК, вы всё же можете строить и развивать мир, не нуждаясь при этом в точной, нуклеиновой системе хранения информации».
Плодородный, богатый информацией белковый мир может быть благодатной почвой для возникновения РНК. Поскольку автокатализ полезен для этой кислоты, естественный отбор в конце концов не может не привести к её появлению. «Если модель [например, Дилла] начинает с простых молекул, нечто вроде РНК может появиться позже и выступит в роли победителя в гонке воспроизводства», — говорит Дорон Ланцет (Doron Lancet), генетик, разработавший собственную простую, химическую модель в Институте им. Вейцмана (ивр. מכון ויצמן למדע, англ. Weizmann Institute of Science) в Израиле.
Поиск доказательств с помощью пептоидов
Конечно, ключевую роль в судьбе модели Дилла могут сыграть лишь лабораторные эксперименты. «Всякое утверждение, относящееся к тому, что происходило ранее 2,5—3 миллиардов лет назад, имеет умозрительный характер», — считает Эрих Борнберг-Бауэр (Erich Bornberg-Bauer), профессор молекулярной эволюции Вестфальского университета имени Вильгельма (нем. Westfälische Wilhelms-Universität, WWU) в Мюнстере (Германия). Он оценил работу Дилла как «действительное доказательство концепции». Однако эта работа всё ещё нуждается в проверке с помощью других теоретических моделей и лабораторных исследований, коль скоро Дилл нацелился на ниспровержение гипотезы о мире РНК. В противном случае «это похоже на шутку о физиках, предположивших, что коровы — абсолютно эластичные сферические объекты, — говорит Андрей Лупас (Andrei Lupas), директор отдела эволюции белка в Институте биологии развития Общества Макса Планка (нем. Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie), который придерживается гипотезы о мире с коэволюцией РНК и пептидов. — В конечном счёте научная значимость чего бы то ни было определяется эмпирически».
Вот почему Цукерманн, один из соавторов упомянутой выше публикации в PNAS, приступил к работе над проектом, призванным подтвердить дилловскую гипотезу.
Двадцать пять лет назад, примерно в то время, когда Дилл выдвинул свою HP-модель складывания белков, Цукерманн занимался разработкой синтетического метода создания искусственных полимеров, называемых пептоидами. Он использовал эти небиологические молекулы, чтобы получить материалы, имитирующие белки. Теперь с помощью пептоидов Цукерманн проверяет предсказания HP-модели, исследуя, как идёт складывание цепей и становятся ли они эффективными катализаторами. По словам Цукерманна, в ходе этих экспериментов он и его коллеги будут тестировать тысячи молекулярных цепей.
Несомненно, выполнять эту работу будет неприятно и трудно. HP-модель Дилла, греша излишней простотой, упускает из виду многие детали молекулярных структур и химические взаимодействия, имеющие место в реальной жизни. «Это означает, что мы столкнёмся с реалиями атомного уровня, которые не предусмотрены данной моделью», — говорит Цукерманн.
Одной из таких реалий может стать то, что два фолдамера будут не катализировать производство друг друга, а агрегировать — объединяться в единое целое. Те, кто оценивает гипотезу Дилла скептически, подозревают, что гидрофобным полоскам намного легче взаимодействовать друг с другом, нежели с другими полимерными цепями. Но, по словам Похорилла, возможность агрегации ещё не означает, что гидрофобные полоски не инициируют автокатализ, как утверждает Дилл. «В современном понимании, ферменты — это не гладкие шарики. У ферментов есть щели, которые благоприятствуют катализу», — поясняет Похорилл. Вполне возможно, что и те фолдамеры, которые агрегировали при помощи своих посадочных площадок, сохраняют каталитические свойства.
«Наука должна рассматривать даже те гипотезы, которые кажутся неправдоподобными, — добавляет Борнберг-Бауэр. — Вот чем занимается Дилл».
Пока гипотеза о мире РНК безраздельно господствует. Тем не менее, Дилл и Цукерманн с оптимизмом смотрят в будущее. Дилл планирует использовать свою модель для ответа на другие вопросы, связанные с происхождением жизни, в том числе на вопрос о том, как и почему возник генетический код. Ну, а Цукерманн надеется, что его исследование — в дополнение к подтверждению (или опровержению) расчётов Дилла — поможет ему создать фолдамеры, способные транспортировать лекарства, действовать как синтетические антитела или инструменты диагностики.
«Модель Дилла зовёт экспериментаторов, подобных мне, в путь, — подчёркивает Цукерманн. — Она требует отыскать простейшие катализаторы, показать, как они работают, чтобы можно было сказать: „Вот так могло быть в действительности“».
