РНК на вулканическом стекле

pixabay.com
pixabay.com
Алексей Кудря
Алексей Кудря
Константин Лесков
Константин Лесков

Американские химики обнаружили удивительно простой механизм, который мог привести к образованию на Земле цепочек РНК-молекул, эволюция которых увенчалась появлением первых живых клеток. Публикуем на эту тему расшифровку беседы Алексея Кудря с докт. биол. наук Константином Лесковым, американским биологом российского происхождения, живущим в Кливленде.

— Недавно была опубликована статья [1] об РНК и вулканическом стекле. Крейг Джером и его коллеги из Фонда прикладной молекулярной эволюции провели лабораторные эксперименты, показав, что сравнительно длинные (до 100–200 звеньев) цепочки РНК спонтанно образуются при перколяции (просачивании) смеси нуклеотидов сквозь вулканическое стекло. Многие издания запестрели заголовками от самых осторожных до восторженных, например «Ученые открыли источник жизни на Земле». Так ли это на самом деле? О чем эта статья?

— Я не специалист по неорганической химии, тем более по геологии и вулканологии. Но постараюсь объяснить суть статьи. Идея интересная: РНК и стекло. Наверное, правильнее будет перенестись на 40 лет назад, в 1979 год, когда в журнале PNAS вышла статья [2] Берта Фогельштейна (Bert Vogelstein) — тогда ему не было еще и 30 лет — и Девида Джилеспи (David Gillespie). Мы знаем Берта Фогельштейна благодаря его вкладу в развитие онкологии — это, в частности, модель Фогельштейна по прогрессии опухолей прямой кишки от доброкачественного полипа до метастазирующей опухоли. Он выявил участвующие в этом гены. Конец 1970-х годов — это бум развития методов генной инженерии. Что они делали? Они разгоняли ДНК, порезанную разными рестрикционными ферментами на кусочки разной длины, в агарозном геле. ДНК заряжена отрицательно, поэтому если агарозный гель в проводящем буфере поместить в поле, то ДНК будет бежать от минуса к плюсу, и чем меньше фрагменты, тем они будут быстрее бежать, т. е. смесь фрагментов будет разделяться по размеру: коротенькие фрагменты — ближе к плюсу, длинные фрагменты — ближе к минусу. Возникла проблема: как эту ДНК извлекать из геля? Допустим, мы хотим просто вырезать фрагмент и вставить его в какой-то вектор, плазмиду или бактериофаг. Было разработано много разных методов, но Вогельштейн и Джилеспи предложили очень простую вещь. Каким-то образом они выяснили, что ДНК в присутствии большой концентрации солей обратимо прилипает к стеклу. Обратимо — в том смысле, что если высокую концентрацию соли убрать, то ДНК можно просто смыть со стекла чистой водой. Ученые использовали в качестве соли йодид натрия, потому что он растворяет агарозу, но можно использовать что угодно. Исследователи проверяли разные виды стекла, и лучше всего у них ДНК связывалась со стеклом, изготовленным на основе кремния, — флинтом (flint glass). Они связывали ДНК, отмывали ее 70–80-процентным этанолом от агарозы и всяких белков-примесей и потом элюировали практически чистую ДНК дистиллированной водой или буфером с низкой концентрацией солей. Этот метод очень простой. У них получалось, что если растереть это кремневое стекло в порошок, чтобы увеличить площадь поверхности, на него налипало очень много ДНК. Если взять порошок кристаллического кварца, то к кристаллам она как-то не очень липла. Она лучше липнет к аморфному, или, как сейчас говорят, криптокристаллическому стеклу, криптокристаллическому силикату.

На основе этого был создан коммерческий продукт, который назывался glass milk. Он действительно выглядит как молочко, это взвесь стеклянного порошка в буфере, которую можно легко использовать для переосаждения ДНК, для очистки ДНК от белков, агарозы и т. д. Раньше для очистки нужна была смесь фенол-хлороформа. Фенол — это хуже, чем радиация, чем меньше с ним работаешь, тем лучше. Glass milk — это было просто чудо. Я сам удивился, когда мне показали этот метод в начале девяностых: как здорово, просто к стеклу липнет.

Мне неясно, насколько хорошо освоен молекулярный механизм прилипания ДНК к стеклу, насколько его хорошо учили. Возможно, там что-то ионное, потому что в аморфных силикатах кустистые, разветвленные структуры, бывают еще и заряженные группы. Там не просто SiO2, там интересные вещи происходят, в этих аморфных соединениях всё не так просто, как в кристаллах. Дальше появились другие продукты на основе glass milk: смесь силиката, по-моему, с оксидами железа, чтобы порошок был магнитным. Зачем? Допустим, смешал этот порошок с раствором, смесью ДНК с веществом, от которого ты хочешь ее очистить, а потом к магнитику приставил — оно всё прилипло к стенкам пробирки, супернатант отсасываешь, промываешь и элюируешь ДНК или РНК. Может быть, там несколько другая формулировка, но в целом нуклеиновые кислоты — как РНК, так и ДНК — можно очищать с помощью этих аморфных силикатов. Таким образом, уже более сорока лет известно, что нуклеиновые кислоты и даже короткие олигонуклеотиды и нуклеотиды прилепляются обратимо к стеклу.

Что интересно в статье, которую сейчас опубликовали в журнале Astrobiology? Авторы обнаружили, что на поверхности криптокристаллических стекол вулканического происхождения (они использовали базальт, габбро, диабаз, андезит, нефелинит и кристаллический кварц в виде порошков) в присутствии нуклеотидтрифосфатов (основание, рибоза и трифосфатный хвост) полимеризуется РНК, полинуклеотиды. Причем происходит это в чистой воде, без солей, как я понял, даже без магния, который, вообще говоря, хорошо бы для всяких полимеризаций полинуклеотидов использовать. Чистая вода, порошок вулканического стекла и нуклеотиды. Один из нуклеотидов был помечен фосфором-32, чтобы можно было разогнать его в акриламидном геле, приставить фотопластинку или какое-то считывающее устройство, которое зафиксирует радиоактивные распады. В полиакриламидном геле чем ближе к положительному полюсу — тем мельче фрагменты РНК, чем ближе к минусу — тем они крупнее.

Первое, что бросается в глаза: есть куча всяких очень низкомолекулярных соединений, которые включали в себя радиоактивные основания, т. е. от одного до 12–13 нуклеотидов. Потом исследователи выяснили, что это какой-то артефакт, на этом можно не заострять внимание. Но самое интересное происходило на верхушке геля, ближе к отрицательному полюсу. Те фрагменты РНК, которые только-только попали в гель, далеко не успели уйти, потому что они очень большие. Однако экспериментаторы увидели, что там, у полюса, присутствуют эти фрагменты, в которые включалось меченое основание, и эти фрагменты, судя по тому, как они фильтруются или застревают на фильтрах разной пористости, примерно от 50 до 100 килодальтон (а. е. м.), что, по-видимому, соответствует где-то от 90 до 150 основаниям, и это, в общем, довольно много, если предположить, что РНК-полимераза там отсутствует. Важно, что было обнаружено: эта полимеризация зависит от времени. Исследователи до 144 часов инкубировали порошок с нуклеотидами, и у них получилась хорошая кривая: чем больше проходит времени, тем больше меченых нуклеотидов оказываются включенными в высокомолекулярные структуры Из чего был сделан вывод: это некий признак каталитической реакции, т. е., скорее всего, там идет образование высокомолекулярных полинуклеотидов.

Два представления РНК‑полимеразы

Когда такое видишь, сразу возникает вопрос о контаминации. Эта статья немного неопрятная. Что интересно? Можно ли смыть что-то, что есть на этих образцах стекла, если там присутствует контаминация бактериальными или грибковыми ферментами, которые обладают нуклеотид-трансферазной активностью? Можно ли это смыть и со смывами в отсутствии стекла провести реакцию? Судя по всему, это было сделано, и вроде бы там нет образования этих высокомолекулярных видов, что есть хороший признак, хороший негативный контроль. И это получилось с диабазом, базальтом и габбро, но не с андезитом, нефелинитом и кристаллическим кварцем, что представляет собой еще один хороший негативный контроль.

А дальше что сделали? Взяли РНКазу, т. е. фермент, который разрушает природную РНК, и показали, что эти высокомолекулярные РНК, образующиеся на стекле, могут быть деградированы РНКазой. Значит, это, видимо, все-таки РНК.

Но я бы всё же оставил вопрос о контаминации открытым. Когда я посмотрел статью, у меня сразу же возник вопрос: если это РНК, то первое, что приходит в голову, — взять маленький секвенатор МinION от Oxford Nanopore и попытаться эту РНК просеквенировать (сейчас это стало более-менее стандартной методикой — секвенировать одноцепочечную РНК) и посмотреть на сиквенсы тех нуклеотидов, которые там образуются. Это будут действительно случайные последовательности нуклеотидов? Если это окажется какая-то известная бактериальная, грибковая РНК, то со всеми экспериментами возникает серьезная проблема. Это может означать, что на каком-то этапе просто не помыли руки, и у них там контаминация. Сама по себе статья интересная, но она требует дополнительных исследований, дополнительного контроля. Все-таки мы живем уже в XXI веке и можем секвенировать такие РНК более-менее рутинно.

Вначале я упомянул об экспериментах с glass milk. РНК связывается со стеклом в присутствии солей. 0,25 миллимоля NaCl, например. Авторы обсуждаемой работы не использовали никакие соли. Было бы интересно посмотреть, как эта реакция идет в присутствии разных ионов. Скажем, 250–400 миллимолей NaCl. Или в присутствии магния. Это было бы классно. В природе все ферменты используют магний, чтобы полимеризовать нуклеиновые кислоты.

Я бы сказал, что эта работа не закончена. Группа продолжает исследования, и я надеюсь, что мы услышим от них что-то еще.

На ранней Земле

— Условия ранней Земли были достаточно суровыми, там не было стерильно чистой лаборатории. Высокое давление, температура, и углекислый газ еще не превратился в карбонаты… Насколько мне известно, условия были даже значительно более суровыми, чем сейчас на Венере. Каковы шансы, что даже если бы РНК таким способом образовалась, она смогла бы запустить эволюцию на нашей планете?

— Во-первых, всё должно происходить в водной фазе, а на Венере другие условия. Что касается суровости… Суровость — понятие относительное. Скажем, довольно суровые условия в термоциклере, где проходит полимеразная цепная реакция. Там сначала 98 °С, потом всё меняется на 50 °С, потом на 70 °С. Давление в пробирке тоже высокое, но тем не менее там происходит полимеризация ДНК. Так что по поводу суровости: всё, что нам надо, — это отрицательная ΔG, изменение свободной энергии. Если она отрицательная — реакция должна идти самопроизвольно, но, возможно, энергия активации будет довольно высока. В этих случаях потребуется катализатор. Если вулканическое стекло является катализатором, это было бы замечательно, но это нужно проверять. Может быть, для нас, изнеженных организмов, это суровые условия, но для простой органики в водной среде… Сильно выше 100 °С температура не может подняться. Только если давление… Но, может быть, при таком давлении ΔG будет еще ниже. В кипящей колбе условия вроде бы суровые, но реакция там идет.

— То есть для того, чтобы могла образоваться РНК и чтобы она запустила эволюцию, условия были вполне подходящие, комфортные?

— Раз она образовалась — наверное, да.

— Насколько хорошо мы знаем, что это были за условия?

— Скажем так: раз она образовалась, значит, термодинамика это позволяла.

— Если на планете, пусть даже в экстремальных условиях, возникает РНК, это уже показатель того, что на этой планете запустится эволюция и когда-нибудь появится жизнь, в том числе и разумная?

— Как только эта РНК, самостоятельно или в комплексе с какими-то кофакторами (допустим, пептидами), начинает сама себя реплицировать, я бы сказал, что это уже жизнь. Тут вопрос философии или, как говорил Ландау, еще хуже — филологии. Я бы сказал, что жизнь — это репликаторы, которые воспроизводят себя с ошибками. Кстати, на другой планете это может быть вообще не РНК, а другие полимеры.

На других планетах

— Кстати, насчет других планет: та же Венера, Марс… Скорее всего, там тоже встречаются подобные геологические образования.

— Наверное. Не знаю.

— Можно ли предположить, что на этих планетах мы можем найти хотя бы остатки подобной жизни?

— Пока что ничего не нашли, и тут проблема в том, что там нет растворителя, там нет жидкой воды. На Луне точно нет. На Марсе…

— На Марсе было?

— Возможно, было. Пока что следов каких-то репликаторов мы не нашли. А на Венере всё плохо. Есть растворитель на Титане. Там жидкие углеводороды. Что там за химия, было бы интересно узнать.

— Вроде бы NASA туда планирует отправить исследовательский зонд именно с целью поискать там жизнь.

— Да, с вертолетиком.

— А там условия позволяют. В отличие от Марса, атмосфера там значительно плотнее, так что вертолетику, должно быть, очень комфортно там летать… Еще вопрос. В своей книге «Происхождение жизни» Михаил Никитин рассказывает о гипотезе возникновения жизни в условиях грязевых вулканов. В то же время распространена идея, что жизнь возникла возле черных курильщиков на дне океана. Вам какая идея ближе? Куда отнести данную статью?

— Книжка Михаила Никитина замечательная, всем рекомендую. Эта гипотеза высказана [3] в 2012 году в том же журнале PNAS Арменом Мулкиджаняном и его коллегами. Среди них — Евгений Кунин. Есть и геолог среди авторов — Андрей Бычков. Почему вообще эта идея возникла? В школе и в популярных лекциях нам говорили, что жизнь возникла в океане, потому что ионный состав крови такой, как в океане.

Проблема в чем? Внутри клеток ионный состав совсем не такой, как в океане. Скажем, в океане много натрия, а внутри клетки — много калия, и отношение калия к натрию в клетке гораздо выше, чем в крови. Содержание других ионов там тоже отличается, из чего можно сделать вывод: до того, как репликаторы инкапсулировались в липидные мембраны и стали изолированы от окружающей среды, они жили в среде, где было много калия, меньше натрия, а также был цинк и марганец. Почему цинк? Потому что, насколько я помню, гены, которые кодируют наиболее древние ферменты, как раз зависят от цинка. Если прикинуть генеалогическое древо белков, то наиболее древние из них зависят от цинка и марганца. Конечно, есть поля сульфида цинка в океане, мы не можем отметать курильщики, но Мулкиджанян и его коллеги задались вопросом, где на Земле существуют условия, в которых содержание ионов такое же, как в цитоплазме клетки. Я так понимаю, один из соавторов съездил на Камчатку к вулканическим грязевым котлам, и там именно те условия, которые ожидали от среды, где зародились первые репликаторы перед тем, как они инкапсулировались липидными мембранами в клетки. Я думаю, что это вполне жизнеспособная гипотеза. А как было на самом деле… кто же знает?

— О чем я забыл вас спросить? Свободный микрофон.

— Происхождение жизни — не совсем моя тема. В данный момент я работаю с жизненным циклом вирусов, в частности, ВИЧ и COVID. На самом деле, недавно была очень хорошая статья [4], которую детально разобрал Александр Марков [5, 6]. Когда я первый раз об этом узнал, мне сразу пришла на ум гипотеза прогенов Анатолия Альтштейна [7]. Он вирусолог, преподавал у нас на кафедре в МГУ. Первый раз я его лекцию о гипотезе прогенов услышал, по-моему, в 1988 году, когда приехал из Барнаула послушать про науку на летних школах. В чем была идея Альтштейна? Есть триплет нуклеотидов, которые через фосфатный мостик соединены с аминокислотой. И он постулировал некое соответствие аминокислоты этим нуклеотидам. Он не знал, что это за соответствие, просто постулировал. Альтштейн предположил, что если эти нуклеотиды будут соединяться в более длинные цепочки… Три нуклеотида плюс фосфатный хвостик плюс аминокислота — он называл это «проген». Если они будут соединяться, то за счет гидролиза фосфатной связи может происходить перескок аминокислоты с одного прогена на другой. Одновременно образуется полипептид и длинная РНК. Никакого экспериментального подтверждения этой гипотезы не было. Она считалась (и, наверное, до сих пор считается) старческим чудачеством. Потом он принимал у нас по своей гипотезе зачет. Но, на самом деле, если присмотреться, механизм прогенов очень сильно напоминает то, что было в этой статье. Там тоже триплет, аминокислота, только не на фосфатном мостике, а на мостике из неканонического азотистого основания. Там есть матрица, аминокислоты перескакивают, полипептид образуется. Такой интересный курьез.

— Большое спасибо! Было интересно, познавательно. Надеюсь, встретимся еще раз!

Видеоверсию беседы см. здесь:
youtu.be/watch?v=zL4_RmzeHHU

1. Jerome G. A., Kim H.-J., Mojzsis S. J., Benner S. A., and Biondi E. Catalytic Synthesis of Polyribonucleic Acid on Prebiotic Rock Glasses // Astrobiology. Jun 2022. 629–636. DOI: 10.1089/ast.2022.0027

2. Vogelstein B., and Gillespie D. (1979) Preparative and Analytical Purification of DNA from Agarose // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 76, 615–619. DOI: 10.1073/pnas.76.2.615

3. Mulkidjanian A. Y., Bychkov A. Y., Dibrova D. V., Galperin M. Y., and E. V. Koonin. Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields // Proc. Natl. Acad. Sci., 109, E821–E830 (2012). DOI: 10.1073/pnas.1117774109

4. Müller F., Escobar L., Xu F. et al. A prebiotically plausible scenario of an RNA-peptide world // Nature 605, 279–284 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04676-3

5. elementy.ru/novosti_nauki/433970/Molekuly_RNK_umeyut_sintezirovat_peptidy_pri_pomoshchi_reliktovykh_nestandartnykh_nukleotidov/t379113/Aleksandr_Markov

6. trv-science.ru/v-poiskax-puti-k-sintezu-belkov

7. Альтштейн А.Д. Происхождение генетической системы: гипотеза прогенов // Молекулярная биология. 1987. Т. 21

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:
Подписаться
Уведомление о
guest

0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: