Живі істоти - до законів термодинаміки, те, що адвокати - до законів суспільства

сторінки

Четвер, 8 листопада 2012 р

Життя = Харчування + Відносини + Розмноження + Еволюція +. Співпраця

мікробіології

У дитинстві нас часто вчать, що основними функціями життя є харчування, стосунки та розмноження. Пізніше ми дізнаємось, що еволюція також повинна бути додана. Ну, в рівнянні є новий термін: співпраця.

Коли вони говорять нам про співпрацю в біологічному контексті, ми відразу згадуємо такий симбіоз, як рак-відлюдник та анемона, або той, що утворився між грибами та водоростями у лишайниках. Ми також можемо мислити спільно, коли ми говоримо про еволюцію від одноклітинних до багатоклітинних організмів. Останні мають різні адаптивні переваги, такі як розподіл завдань: травний тракт, нейрони, м’язи, гамети тощо. Ми можемо навіть подумати про співпрацю та розподіл завдань на внутрішньоклітинному рівні. Таким чином, ДНК несе генетичну інформацію, білки - ті, що проводять каталітичні реакції, а ліпіди - ті, що утворюють мембрани. Зрозуміло, що співпраця дозволяє розвивати складність.

Очевидно, що жива істота "робить" ряд речей, які відрізняють її від неживої матерії. Тож логічно припустити, що перша жива істота, яка з’явилася на цій планеті кілька мільярдів років тому, теж робила те саме, що і нинішні. Ну, схоже, він також представляв здатність до "співпраці" як внутрішню властивість.

Одна з сучасних гіпотез, яка намагається пояснити, як могло виникнути життя на цій планеті, відома як "РНК-світ". Молекула РНК здатна виконувати одночасно дві життєво важливі функції: вона може зберігати генетичну інформацію і може виконувати каталітичні функції, такі як рибозими. Протягом періоду в історії цієї планети існували молекули РНК, здатні до самовідтворення, які мутували і еволюціонували у форми з більшою ефективністю самовідтворення. З часом роль охоронця генетичної інформації переходить до ДНК, а каталітичні функції - до білків. РНК залишили як свого роду Харона, що з'єднує обидва світи (або "хлопчика з ксерокопією", якщо ми хочемо висловити це більш прозаїчно).

Очевидно, що існує ще багато прогалин для заповнення цієї гіпотези. Починає розуміти, якою могла бути хімія пребіотиків, яка породила нуклеотиди, мономери РНК, і як вони могли утворювати дрібні полімери. На експериментальному рівні вибір найбільш ефективної РНК у процесі реплікації був перевірений завдяки експериментам з фагом Q b, проведеним Манфредом Айгеном та його групою. Вони просто поклали в пробірку кілька молекул РНК з різними послідовностями, репліказою фагів та нуклеотидами. Відповідно до умов реплікації, іноді найбільш ефективною була послідовність, а інший раз - інша. Це був чудовий приклад біохімічного природного відбору в пробірці. Маленька вірусна РНК поводилася як справжній "егоїстичний ген".

В експериментах Айгена РНК не самовідтворюється, їй потрібен фермент білкової природи. І тут поки що з’являється невирішена проблема. РНК з рибозимною активністю, здатною до самовідтворення, потребує довгих і складних молекул, набагато більших, ніж те, що здається можливим за сучасних знань хімії пребіотиків. Існує також інша проблема - самовідтворювальна РНК повинна мати рівень мутації досить низький, щоб не втратити інформацію, яку вона несе, і одночасно конкурувати за ресурси проти інших "паразитних" РНК, які можуть скористатися її здібностями.

Недавня робота, опублікована в Nature, схоже, знайшла відповідь на проблему. У запропонованому сценарії самореплікативні РНК не тільки роблять копії себе (молекулярний егоїзм), але також здатні діяти на інші «реплікаційні РНК», створюючи гіперцикл. Ця фізична властивість виникає спонтанно, для цього не потрібно проектувати молекули. В якості експериментальної системи використовували рибозим з бактерії Азоаркус, який має здатність самостійно збиратися при фрагментації. Цей рибозим можна мутувати так, що можуть існувати «егоїстичні» варіанти, які лише самостійно збирають власні фрагменти, а не інші. Або також можуть з’являтися різні варіанти фрагментів згаданого рибозиму, які можуть діяти спільно на інші варіанти. Тобто, рибозим 1 допомагає складанню рибозиму 2, який діє на складання рибозиму 3, а це, в свою чергу, допомагає складанню рибозиму 1.

Вони виявили, що якщо встановити один із цих кооперативних гіперциклів, РНК, що входять до їх складу, можуть повністю витіснити РНК, які лише егоїстично збираються. Тобто молекулярне співробітництво між дрібними фрагментами РНК може допомогти появі довших і складніших РНК. І це є фізичною властивістю, властивою цьому типу самоорганізуючих систем. Як завжди в науці, гарна відповідь викликає багато нових питань. Наприклад, як ці кооперативні мережі розвиваються з часом? Чи збільшується складність гіперциклу із збільшенням ефективності, яку він показує, чи спрощує? Як ці пребіотичні РНК взаємодіяли з іншими молекулами у своєму середовищі? Як вони конкурували з іншими РНК? і очевидно, як виник перший гіперцикл РНК?

І чому для того, щоб він працював краще, має бути три або більше компонентів гіперцикла? Можна встановити гіперцикли з двох. Наприклад, рибозим 1 допомагає зібратись до рибозиму 2, що, у свою чергу, допомагає складати рибозим 1. Такий простий гіперцикл також стабільний. І якщо ми дозволимо еволюції діяти, ми виявимо, що рекомбінація починає відігравати певну роль, і можуть з’являтися молекули, які ефективніші в реплікації, ніж вихідні. Проблема двох компонентів полягає в тому, що існує обмеження, оскільки властивості самовідтворення та рибозиму ніколи не можна ігнорувати, тому система досить чутлива до впливу мутацій, які погіршують генетичну інформацію та не дозволяють виконувати одну з двох функцій . Гіперцикл із трьох або більше компонентів дозволяє мати більшу кількість комбінацій, а отже, більше ступенів свободи і менше ризику, що мутація може втратити одне з двох властивостей. Мало того, що більша кількість гравців дозволяє появляти навіть нові властивості. Тобто, розподіли домашнього завдання на молекулярному рівні.

Автори припускають, що створення цих кооперативних мереж може дозволити синтез малих РНК завдяки дії рибозиму, а в свою чергу ці малі РНК можуть дозволити реплікацію зазначеного рибозиму. Перевагою цього типу системи є те, що вона не вимагає ковалентних зв’язків для розвитку великих високомолекулярних структур.

Цей запис бере участь у XXXVI Карнавалі фізики, який проводить Невагомість, у ХІХ Карнавалі хімії, що проводить Прочитайте моє пояснення і в XVIII карнавалі біології, що відбувся в Цікава амеба

Attwater J, & Holliger P (2012). Витоки життя: кооперативний ген. Nature, 491 (7422), 48-9 PMID: 23075847

Vaidya N, Manapat ML, Chen IA, Xulvi-Brunet R, Hayden EJ, & Lehman N (2012). Спонтанне формування мережі серед кооперативних реплікаторів РНК. Nature, 491 (7422), 72-7 PMID: 23075853