RNA-världshypotes

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 6 december 2021; kontroller kräver 9 redigeringar .

RNA-världen  är ett hypotetiskt stadium i uppkomsten av liv på jorden , när ensembler av ribonukleinsyramolekyler utförde både funktionen att lagra genetisk information och katalysera kemiska reaktioner . Därefter, från deras föreningar uppstod modernt DNA - RNA - proteinliv , isolerat av ett membran från den yttre miljön. Idén om RNA-världen uttrycktes först av Carl Woese 1968 , utvecklades senare av Leslie Orgel och formulerades slutligen av Walter Gilbert 1986 .

Under 2000-talet finner hypotesen fler och fler bekräftelser.

Sammanfattning

I levande organismer sker nästan alla processer främst på grund av enzymer av proteinnatur . Proteiner kan dock inte replikera sig själv och syntetiseras de novo i cellen baserat på information lagrad i DNA . Men dupliceringen av DNA sker endast på grund av deltagandet av proteiner och RNA. En ond cirkel bildas, på grund av vilken, inom ramen för teorin om spontan generering av liv, var det nödvändigt att erkänna behovet inte bara av den abiogena syntesen av båda klasserna av molekyler, utan också för den spontana uppkomsten av ett komplex system för deras sammankoppling.

I början av 1980 -talet upptäcktes den katalytiska förmågan hos RNA i laboratoriet hos T. Chek och S. Altman i USA. I analogi med enzymer ( engelsk  enzym ) kallades RNA-katalysatorer ribozymer , för deras upptäckt belönades Thomas Check med Nobelpriset i kemi 1989 . Dessutom visade det sig att ribosomernas aktiva centrum innehåller en stor mängd rRNA . RNA är också kapabla att skapa en dubbelsträng och självreplikera [1] .

Således skulle RNA kunna existera helt autonomt, katalysera "metaboliska" reaktioner, till exempel syntesen av nya ribonukleotider och självreproducerande, bibehålla katalytiska egenskaper från "generation" till "generation". Ackumuleringen av slumpmässiga mutationer ledde till uppkomsten av RNA som katalyserar syntesen av vissa proteiner, som är en mer effektiv katalysator, och därför fixerades dessa mutationer under det naturliga urvalet. Å andra sidan har specialiserade förråd av genetisk information, DNA, uppstått. RNA har bevarats mellan dem som en mellanhand.

RNA:s roll i den moderna världen

Spår av RNA-världen har funnits kvar i moderna levande celler , och RNA är involverat i kritiska processer av cellliv:

  1. Den huvudsakliga energibäraren i celler - ATP  - är en ribonukleotid , inte en deoxiribonukleotid .
  2. Proteinbiosyntes utförs nästan helt med hjälp av olika typer av RNA:
  3. RNA är också avgörande för DNA-replikation :
  4. Under omvänd transkription transkriberas information från RNA till DNA.
  5. RNA-mognadsprocessen använder en mängd olika icke-proteinkodande RNA , inklusive små nukleära RNA , små nukleolära RNA .

Dessutom lagrar många virus sitt genetiska material i form av RNA och tillhandahåller ett RNA-beroende RNA-polymeras till den infekterade cellen för dess replikation.

Abiogen RNA-syntes

Den abiogena syntesen av RNA från enklare föreningar har ännu inte helt demonstrerats experimentellt. 1975 visade Manfred Sumper  och Rudiger Luce i Eigens laboratorium att  i en blandning som inte innehåller något RNA alls, men som bara innehåller nukleotider och Qβ-replikas , under vissa förhållanden, ett självreplikerande RNA [2] .

2009 lyckades en grupp forskare från University of  Manchester under ledning av John Sutherland demonstrera möjligheten att syntetisera uridin och cytidin med hög effektivitet och graden av fixering av reaktionsresultatet (liksom med möjligheten att ackumulera slutprodukter) under villkoren för den tidiga jorden [3] [4] . Samtidigt, även om den abiogena syntesen av purinbaser demonstrerades för ganska länge sedan [5] , visades syntesen av adenosin och guanosin under förhållanden från den tidiga jorden endast i en ineffektiv variant [4] .

2016 publicerades en studie som visar möjligheten att syntetisera alla 4 ribonukleotider från formamid [6] .

Under 2017 visades möjligheten till självmontering av uridin från ribos, uracil och fosforsyra [7] .

Under 2019 upptäcktes ribos i meteoriter bland sockerarter av utomjordiskt ursprung, vilket underbygger antagandet om dess tillgänglighet på den antika jorden. Den mest troliga vägen för syntes av sådana sockerarter är Butlerov-reaktionen . Samtidigt saknas deoxiribos i samma meteoriter , vilket tyder på en mer trolig syntes av RNA än DNA [8] .

År 2022 hittades en ny och mycket enkel version av den abiogena syntesen av RNA-kedjor. Det visade sig att när en blandning av nukleotider perkoleras genom vulkaniskt glas , bildas spontant långa (upp till 100–200 enheter) RNA-kedjor. Således lyckades forskare äntligen hitta ett ganska enkelt sätt för transformationer, med utgångspunkt från elementära organiska molekyler, som också finns i rymden, och slutar med ganska långa kedjor av nukleinsyror av världens RNA, progenitorerna till protoliv som kan Darwinistiska evolution [9] .

Utvecklingen av RNA

RNA-molekylers förmåga att utvecklas har tydligt demonstrerats i ett antal experiment. Redan innan upptäckten av RNAs katalytiska aktivitet utfördes sådana experiment av Leslie Orgel och kollegor i Kalifornien. De tillsatte etidiumbromid , ett gift som hämmar RNA-syntes, till ett provrör med RNA. Till en början bromsades synteshastigheten av giftet, men efter ungefär nio "provrörsgenerationer" av evolution, föddes en ny ras av giftresistent RNA fram genom naturligt urval. Genom att successivt fördubbla giftdoserna framföddes en ras av RNA som var resistent mot dess mycket höga koncentrationer. Totalt förändrades 100 provrörsgenerationer i experimentet (och många fler RNA-generationer, sedan generationerna ändrades inuti varje provrör). Även om RNA-replikas i detta experiment tillsattes till lösningen av experimentörerna själva, fann Orgel att RNA också kunde spontant självkopiera utan tillsats av ett enzym, även om det var mycket långsammare.

Ett ytterligare experiment utfördes senare i laboratoriet vid Manfred Eigens tyska skola. Han upptäckte den spontana genereringen av en RNA-molekyl i ett provrör med ett substrat och RNA-replikas. Den skapades genom gradvis ökande evolution. [tio]

Efter upptäckten av den katalytiska aktiviteten hos RNA (ribozymer) observerades deras utveckling i en datorstyrd automatiserad enhet i experiment av Brian Pegel och Gerald Joyce från Scripps Research Institute i Kalifornien 2008. Faktorn som spelade rollen som selektionstryck var det begränsade substratet, vilket inkluderade oligonukleotider som ribozymet kände igen och fäste vid sig självt, och nukleotider för syntesen av RNA och DNA. När man byggde kopior fanns det ibland defekter - mutationer - som påverkade deras katalytiska aktivitet (för att påskynda processen muterades blandningen flera gånger med en polymeraskedjereaktion med "felaktiga" polymeraser). Molekyler valdes på denna grund: de snabbast kopierade molekylerna började snabbt dominera i mediet. Sedan avlägsnades 90 % av blandningen, och istället tillsattes en ny blandning med substrat och enzymer, och cykeln upprepades igen. Under 3 dagar ökade den katalytiska aktiviteten hos molekylerna med 90 gånger på grund av endast 11 mutationer. [11] [12]

Dessa experiment visar att de första RNA-molekylerna inte behövde ha tillräckligt bra katalytiska egenskaper. De utvecklades senare under evolutionens gång under påverkan av naturligt urval.

2009 visade kanadensiska biokemister från University of Montreal K. Bokov och S. Steinberg, efter att ha studerat huvudkomponenten i ribosomen av bakterien Escherichia coli , 23S-rRNA-molekylen, hur mekanismen för proteinsyntes kunde utvecklas från relativt liten och enkla ribozymer . Molekylen delades upp i 60 relativt oberoende strukturella block, varav det viktigaste är det katalytiska centret (peptidyltransferascentrum, PTC, peptidyltransferascentrum), ansvarigt för transpeptidering (bildning av en peptidbindning ). Det visades att alla dessa block kan sekventiellt lösgöras från molekylen utan att förstöra dess återstående del tills endast ett transpeptideringscentrum återstår. Det behåller dock förmågan att katalysera transpeptidering. Om varje bindning mellan blocken av molekylen representeras som en pil riktad från blocket som inte förstörs vid separation till blocket som förstörs, så bildar sådana pilar inte en enda sluten ring. Om anslutningarnas riktning var slumpmässig, skulle sannolikheten att detta skulle hända vara mindre än en på en miljard. Därför återspeglar denna typ av bindningar sekvensen av gradvis tillsats av block i molekylens utvecklingsprocess, som forskarna kunde rekonstruera i detalj. Således kan ett relativt enkelt ribozym, PTC-centret för 23S-rRNA-molekylen, vara livets ursprung, till vilket nya block sedan lades till, vilket förbättrade processen för proteinsyntes. Själva PTC består av två symmetriska lober, som var och en håller CCA-svansen på en tRNA- molekyl . Det antas att en sådan struktur uppstod som ett resultat av duplicering (fördubbling) av ett originalblad. Funktionella RNA ( ribozymer ) som kan katalysera transpeptidering har erhållits genom artificiell evolution. Strukturen hos dessa artificiellt härledda ribozymer är mycket nära strukturen hos protoribosomen som författarna "beräknat". [13] [14]

Egenskaper för RNA World Objects

Det finns olika antaganden om hur självreplikerande RNA-system såg ut. Behovet av RNA-aggregerande membran eller placering av RNA på ytan av mineraler och i porutrymmet hos lösa bergarter postuleras oftast. På 1990 -talet visade A. B. Chetverin och medarbetare förmågan hos RNA att bilda molekylära kolonier på geler och fasta substrat när det skapar förutsättningar för replikation. Det var ett fritt utbyte av molekyler, som kunde byta områden vid en kollision, vilket visades experimentellt. Hela uppsättningen av kolonier i samband med detta utvecklades snabbt [15] .

Efter uppkomsten av proteinsyntes utvecklades kolonier som kunde skapa enzymer mer framgångsrikt. Ännu mer framgångsrika var kolonierna, som bildade en mer tillförlitlig mekanism för att lagra information i DNA och slutligen separerade från omvärlden av ett lipidmembran som förhindrade spridningen av deras molekyler.

Svårigheter

De prebiotiska modellerna som skapar nukleotider är oförenliga med de villkor som behövs för att skapa socker (på grund av den höga koncentrationen av formaldehyd ). Så de måste syntetiseras på olika platser och sedan överföras till ett ställe. De reagerar dock inte i vatten. Vattenfria reaktioner kopplar lätt puriner till sockerarter, men bara 8% av dem kopplar rätt kolatom på sockret till rätt kväveatom på kvävebasen. Pyrimidiner kommer emellertid inte att reagera med ribos, inte ens under vattenfria förhållanden.

Dessutom är de fosfater som är nödvändiga för syntes extremt sällsynta i naturen, eftersom de lätt fälls ut. Med införandet av fosfat måste det senare snabbt kombineras med den korrekta hydroxylgruppen i nukleotiden.

För att nukleotider ska bilda RNA måste de själva aktiveras. Aktiverade purinukleotider bildar små kedjor på den befintliga pyrimidin-RNA-mallen, men denna process fungerar inte tvärtom eftersom pyrimidinnukleotider inte polymeriserar lika lätt.

Dessutom måste all ribos vara av samma stereoisomertyp eftersom vilken nukleotid som helst med fel kiralitet fungerar som en kedjeterminator.

Enligt kritiker av RNA-världshypotesen (till exempel A. Caines-Smith) skulle processen att bygga nukleinsyror kräva synkronisering av gynnsamma förhållanden och händelser. Dessutom måste denna synkronisering vara tillräckligt lång i tiden (över miljoner år) för att skapa en tillräcklig mängd nödvändiga ämnen.

Trots detta syntetiserades 2009 två pyrimidinribonukleotider utan bildning av intermediärer (ribos och kvävebas), men andra mellanprodukter (arabinos och nukleosidanhydrid ) bildades. 2016 visades det att det är möjligt att syntetisera de återstående purin-nukleotiderna: adenin och guanin och kombinera dem med ribos. Det är dock ännu inte fastställt hur tillsatsen av fosfatresten kan gå till.

Pre-RNA-världar

Biokemisten R. Shapiro kritiserar RNA-världshypotesen och tror att sannolikheten för spontan uppkomst av RNA med katalytiska egenskaper är mycket låg. Istället för hypotesen "i början fanns det RNA", föreslår han hypotesen "i början var det metabolism", det vill säga uppkomsten av komplex av kemiska reaktioner - analoger av metaboliska cykler - med deltagande av lågmolekylära föreningar förekommer inuti avdelningar  - rumsligt begränsade av spontant bildade membran eller andra fasgränser - områden. Detta koncept ligger nära den koacervata hypotesen om abiogenes som föreslogs av AI Oparin 1924 [ 16] .

En annan hypotes om abiogen RNA-syntes, utformad för att lösa problemet med den låga uppskattade sannolikheten för RNA-syntes, är hypotesen om världen av polyaromatiska kolväten , som föreslogs 2004 och föreslår syntesen av RNA-molekyler baserad på en stapel av polyaromatiska ringar.

Faktum är att båda hypoteserna om "pre-RNA-världar" inte avvisar hypotesen om RNA-världen, utan modifierar den, postulerar den initiala syntesen av replikerande RNA-makromolekyler i primära metaboliska fack, eller på ytan av associerade, trycker på "RNA världen" till det andra stadiet av abiogenes .

Akademiker vid den ryska vetenskapsakademin A. S. Spirin tror att RNA-världen inte kunde ha dykt upp och existerat på jorden, och överväger alternativet av ett utomjordiskt (främst på kometer) ursprung och utveckling av RNA-världen [17] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Johnston, W. RNA-katalyserad RNA-polymerisation  : exakt och allmän RNA-templaterad primerförlängning: [ eng. ]  / W. Johnston, P. Unrau, M. Lawrence … [ et al. ] // Vetenskap: j. - 2001. - Vol. 292, nr. 5520. - P. 1319-1325. - doi : 10.1126/science.1060786 . — PMID 11358999 .
  2. ↑ Sumper, M. Bevis för De Novo-produktion av självreplikerande och miljöanpassade RNA-strukturer av Bacteriophage Qβ Replicase  : [ eng. ]  / M. Sumper, R. Luce // Proceedings of the National Academy of Science USA. - 1975. - Vol. 72, nr. 1 (januari). - S. 162-166. - doi : 10.1073/pnas.72.1.162 . — PMID 1054493 . — PMC 432262 .
  3. ↑ Powner, MW Syntes av aktiverade pyrimidinribonukleotider under prebiotiskt rimliga förhållanden: [ eng. ]  / MW Powner, B. Gerland, JD Sutherland // Nature. - 2009. - Vol. 459, nr. 7244 (14 maj). - S. 239-42. - doi : 10.1038/nature08013 . — PMID 19444213 .
  4. ↑ 1 2 Markov, Alexander. Kemister har övervunnit det största hindret på vägen mot abiogen syntes av RNA // Elements: [webbplats]. - 2009. - 18 maj.
  5. ↑ Yuasa, S. Abiotisk syntes av puriner och andra heterocykliska föreningar genom inverkan av elektriska urladdningar: [ eng. ]  / S. Yuasa, D. Flory, B. Basile … [ et al. ] // Journal of Molecular Evolution. - 1984. - Vol. 21, nr. 1. - S. 76-80. — ISSN 0022-2844 . - doi : 10.1007/bf02100630 . — PMID 6442361 .
  6. ↑ Šponer, Judit E. Uppkomsten av de första katalytiska oligonukleotiderna i ett formamidbaserat ursprungsscenario: [ eng. ]  / Judit E. Šponer, Jiří Šponer, Olga Nováková … [ et al. ] // Kemi : J. - 2016. - Vol. 22, nr. 11. - P. 3572-3586. - doi : 10.1002/chem.201503906 . — PMID 26807661 .
  7. ↑ Nam, I. Abiotisk produktion av sockerfosfater och uridinribonukleosid i vattenhaltiga mikrodroppar : [ eng. ]  / I. Nam, J. Lee, HG Nam … [ et al. ] // Proceedings of the National Academy of Science USA. - 2017. - Vol. 114, nr. 47 (21 november). - P. 12396-12400. - doi : 10.1073/pnas.1714896114 . — PMID 29078402 . — PMC 5703324 .
  8. ↑ Vlasov, Kirill. Socker från Murchison-meteoriten är av utomjordiskt ursprung  // Elements. - 2019. - 20 december. — Tillträdesdatum: 2019-12-21.
  9. ↑ Katalytisk syntes av polyribonukleinsyra på prebiotiska stenglas | Astrobiologi . Hämtad 5 juni 2022. Arkiverad från originalet 5 juni 2022.
  10. ↑ Richard Dawkins. Blind urmakare. Kapitel 5 "Makt över det förflutna och framtiden." . Hämtad 16 november 2012. Arkiverad från originalet 19 juli 2011.
  11. ↑ Nyheter om elementvetenskap: Datordriven evolution . Tillträdesdatum: 7 januari 2013. Arkiverad från originalet 16 januari 2013.
  12. ^ "Evolution by Order"-anteckning om den experimentella studien av RNA-evolution . Hämtad 15 november 2012. Arkiverad från originalet 24 april 2013.
  13. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: Är mysteriet med ribosomernas ursprung löst? . Hämtad 15 november 2012. Arkiverad från originalet 20 september 2012.
  14. ↑ Markov, A. V. Ch. 1. Livets ursprung  // Komplexitetens födelse: Evolutionsbiologi idag: oväntade upptäckter och nya frågor. — M  .: Astrel: CORPUS, 2010. — S. 60. — 248 sid. - (Element). - ISBN 978-5-17-084031-1 .
  15. ↑ Chetverina HV, Chetverin AB Kloning av RNA-molekyler in vitro  // Nucleic Acids Res  . : journal. - 1993. - Maj ( vol. 21 , nr 10 ). - P. 2349-2353 . — PMID 7685078 .
  16. ↑ Shapiro R. At the origins of life // In the world of science (ryska upplagan av Scientific American ), nr 10, 2007. S. 21-29
  17. ↑ A. S. Spirin När, var och under vilka förhållanden kunde RNA-världen uppstå och utvecklas? Arkiverad 5 september 2014 på Wayback Machine // Journal of Paleontology. - Nr 5. - s.11-19

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
 Livets ursprung
Begrepp
Hypoteser
Studie