RNA-verdenen er et hypotetisk stadie i fremkomsten af liv på Jorden , hvor ensembler af ribonukleinsyremolekyler udførte både funktionen med at lagre genetisk information og katalysere kemiske reaktioner . Efterfølgende opstod moderne DNA - RNA - proteinliv fra deres foreninger , isoleret af en membran fra det ydre miljø. Ideen om RNA-verdenen blev først udtrykt af Carl Woese i 1968 , senere udviklet af Leslie Orgel og endelig formuleret af Walter Gilbert i 1986 .
I det 21. århundrede finder hypotesen flere og flere bekræftelser.
I levende organismer forekommer næsten alle processer hovedsageligt på grund af enzymer af proteinkarakter . Proteiner kan dog ikke selvreplikere og syntetiseres de novo i cellen baseret på information lagret i DNA . Men duplikeringen af DNA sker kun på grund af deltagelse af proteiner og RNA. Der dannes en ond cirkel, på grund af hvilken det inden for rammerne af teorien om spontan generering af liv var nødvendigt at anerkende behovet ikke kun for den abiogene syntese af begge klasser af molekyler, men også for den spontane fremkomst af et kompleks system for deres sammenkobling.
I begyndelsen af 1980'erne blev RNA's katalytiske evne opdaget i laboratoriet hos T. Chek og S. Altman i USA. I analogi med enzymer ( engelsk enzym ) blev RNA-katalysatorer kaldt ribozymer , for deres opdagelse blev Thomas Check tildelt Nobelprisen i kemi i 1989 . Desuden viste det sig, at det aktive center af ribosomer indeholder en stor mængde rRNA . RNA'er er også i stand til at skabe en dobbeltstreng og selvreplikere [1] .
Således kunne RNA eksistere fuldstændig autonomt, katalysere "metaboliske" reaktioner, for eksempel syntesen af nye ribonukleotider og selvreproducere, bevare katalytiske egenskaber fra "generation" til "generation". Akkumuleringen af tilfældige mutationer førte til fremkomsten af RNA'er, der katalyserer syntesen af visse proteiner, som er en mere effektiv katalysator, og derfor blev disse mutationer fikseret i løbet af naturlig selektion. På den anden side er der opstået specialiserede depoter af genetisk information, DNA. RNA er blevet bevaret mellem dem som et mellemled.
Spor af RNA-verdenen er forblevet i moderne levende celler , og RNA er involveret i kritiske processer i cellelivet:
Derudover lagrer mange vira deres genetiske materiale i form af RNA og leverer en RNA-afhængig RNA-polymerase til den inficerede celle til replikation.
Den abiogene syntese af RNA fra simplere forbindelser er endnu ikke fuldt ud demonstreret eksperimentelt. I 1975 påviste Manfred Sumper og Rudiger Luce i Eigens laboratorium , at i en blanding , der slet ikke indeholdt RNA, men kun indeholdt nukleotider og Qβ-replikase , under visse betingelser, et selvreplikerende RNA [2] .
I 2009 lykkedes det en gruppe videnskabsmænd fra University of Manchester ledet af John Sutherland at demonstrere muligheden for at syntetisere uridin og cytidin med høj effektivitet og graden af fiksering af reaktionsresultatet (såvel som med muligheden for at akkumulere slutprodukter) under betingelserne fra den tidlige Jord [3] [4] . På samme tid, selvom den abiogene syntese af purinbaser blev påvist for ganske lang tid siden [5] , blev syntesen af adenosin og guanosin under betingelserne fra den tidlige Jord kun påvist i en ineffektiv variant [4] .
I 2016 blev der publiceret et studie, der viser muligheden for at syntetisere alle 4 ribonukleotider fra formamid [6] .
I 2017 blev muligheden for selvsamling af uridin fra ribose, uracil og phosphorsyre vist [7] .
I 2019 blev ribose opdaget i meteoritter blandt sukkerarter af udenjordisk oprindelse, hvilket underbygger antagelsen om dets tilgængelighed på den gamle Jord. Den mest sandsynlige vej for syntese af sådanne sukkerarter er Butlerov-reaktionen . Samtidig er deoxyribose fraværende i de samme meteoritter , hvilket indikerer en mere sandsynlig syntese af RNA end DNA [8] .
I 2022 blev der fundet en ny og meget enkel version af den abiogene syntese af RNA-kæder. Det blev fundet, at når en blanding af nukleotider perkoleres gennem vulkansk glas , dannes der spontant lange (op til 100-200 enheder) RNA-kæder. Således lykkedes det endelig for forskere at finde en ret simpel måde at transformere på, startende fra elementære organiske molekyler, som også findes i rummet, og slutter med temmelig lange kæder af nukleinsyrer af verdens RNA, progenitorerne til proto-livet, der er i stand til darwinistisk. evolution [9] .
RNA-molekylers evne til at udvikle sig er blevet tydeligt demonstreret i en række eksperimenter. Selv før opdagelsen af den katalytiske aktivitet af RNA blev sådanne eksperimenter udført af Leslie Orgel og kolleger i Californien. De tilføjede ethidiumbromid , en gift, der hæmmer RNA-syntese, til et reagensglas med RNA. Til at begynde med blev syntesehastigheden bremset af giften, men efter omkring ni "reagensglasgenerationer" af evolution blev en ny race af giftresistent RNA avlet ved naturlig selektion. Ved successivt at fordoble giftdoserne blev der opdrættet en race af RNA, der var modstandsdygtig over for dets meget høje koncentrationer. I alt ændrede 100 reagensglasgenerationer sig i eksperimentet (og mange flere RNA-generationer, siden generationerne skiftede inde i hvert reagensglas). Selvom der i dette eksperiment blev tilsat RNA-replikase til opløsningen af forsøgslederne selv, fandt Orgel ud af, at RNA'er også var i stand til spontan selvkopiering uden tilsætning af et enzym, om end meget langsommere.
Et yderligere eksperiment blev senere udført i laboratoriet på Manfred Eigens tyske skole. Han opdagede den spontane generering af et RNA-molekyle i et reagensglas med et substrat og RNA-replikase. Den blev skabt ved gradvist stigende evolution. [ti]
Efter opdagelsen af den katalytiske aktivitet af RNA'er (ribozymer) blev deres udvikling i en computerstyret automatiseret enhed observeret i eksperimenter af Brian Pegel og Gerald Joyce fra Scripps Research Institute i Californien i 2008. Faktoren, der spillede rollen som selektionstryk, var det begrænsede substrat, som omfattede oligonukleotider, som ribozymet genkendte og fæstnede til sig selv, og nukleotider til syntesen af RNA og DNA. Når man byggede kopier, var der nogle gange defekter - mutationer - der påvirkede deres katalytiske aktivitet (for at fremskynde processen blev blandingen muteret flere gange ved hjælp af en polymerasekædereaktion under anvendelse af "unøjagtige" polymeraser). Molekyler blev udvalgt på dette grundlag: de hurtigst kopierede molekyler begyndte hurtigt at dominere i mediet. Derefter blev 90% af blandingen fjernet, og i stedet blev en frisk blanding med substrat og enzymer tilsat, og cyklussen blev gentaget igen. I 3 dage steg den katalytiske aktivitet af molekylerne 90 gange på grund af kun 11 mutationer. [11] [12]
Disse eksperimenter beviser, at de første RNA-molekyler ikke behøvede at have tilstrækkeligt gode katalytiske egenskaber. De udviklede sig senere i evolutionens forløb under indflydelse af naturlig selektion.
I 2009 viste canadiske biokemikere fra University of Montreal K. Bokov og S. Steinberg, efter at have studeret hovedbestanddelen af ribosomet af bakterien Escherichia coli , 23S-rRNA-molekylet, hvordan mekanismen for proteinsyntese kunne udvikle sig fra relativt lille og simple ribozymer . Molekylet blev underopdelt i 60 relativt uafhængige strukturelle blokke, hvoraf den vigtigste er det katalytiske center (peptidyltransferasecenter, PTC, peptidyltransferasecenter), ansvarligt for transpeptidering (dannelse af en peptidbinding ). Det blev vist, at alle disse blokke kan sekventielt løsnes fra molekylet uden at ødelægge dets resterende del, indtil der kun er et transpeptideringscenter tilbage. Det bevarer dog evnen til at katalysere transpeptidering. Hvis hver binding mellem blokkene af molekylet er repræsenteret som en pil rettet fra den blok, der ikke er ødelagt ved adskillelse, til den blok, der er ødelagt, så danner sådanne pile ikke en enkelt lukket ring. Hvis retningen af forbindelserne var tilfældig, ville sandsynligheden for, at dette ville ske, være mindre end én ud af en milliard. Derfor afspejler denne art af bindingerne sekvensen af gradvis tilføjelse af blokke i processen med evolution af molekylet, som forskerne var i stand til at rekonstruere i detaljer. Et relativt simpelt ribozym, PTC-centret af 23S-rRNA-molekylet, kunne således være livets oprindelse, hvortil der så blev tilføjet nye blokke, hvilket forbedrede proteinsynteseprocessen. PTC selve består af to symmetriske lapper, som hver holder CCA'-halen af et tRNA -molekyle . Det antages, at en sådan struktur opstod som følge af duplikering (fordobling) af et originalt blad. Funktionelle RNA'er ( ribozymer ), der er i stand til at katalysere transpeptidering, er blevet opnået ved kunstig evolution. Strukturen af disse kunstigt afledte ribozymer er meget tæt på strukturen af protoribosomet, som forfatterne "beregnet". [13] [14]
Der er forskellige antagelser om, hvordan selvreplikerende RNA-systemer så ud. Behovet for RNA-aggregerende membraner eller placering af RNA på overfladen af mineraler og i porerummet af løse sten er oftest postuleret. I 1990'erne demonstrerede A. B. Chetverin og kolleger RNA's evne til at danne molekylære kolonier på geler og faste substrater, når det skaber betingelser for replikation. Der var en fri udveksling af molekyler, som kunne udveksle områder under en kollision, hvilket blev vist eksperimentelt. Hele sættet af kolonier i forbindelse med dette udviklede sig hurtigt [15] .
Efter fremkomsten af proteinsyntese udviklede kolonier, der kunne skabe enzymer, mere succes. Endnu mere succesrige var kolonierne, som dannede en mere pålidelig mekanisme til lagring af information i DNA og til sidst adskilt fra omverdenen af en lipidmembran , der forhindrede spredningen af deres molekyler.
De præbiotiske modeller, der skaber nukleotider , er uforenelige med de betingelser, der er nødvendige for at skabe sukker (på grund af den høje koncentration af formaldehyd ). Så de skal syntetiseres forskellige steder og derefter overføres til ét sted. De reagerer dog ikke i vand. Vandfri reaktioner forbinder nemt puriner med sukkerarter, men kun 8% af dem forbinder det korrekte kulstofatom på sukkeret til det korrekte nitrogenatom på den nitrogenholdige base. Pyrimidiner vil imidlertid ikke reagere med ribose, selv under vandfri betingelser.
Derudover er de fosfater , der er nødvendige for syntese , ekstremt sjældne i naturen, da de let udfældes. Med introduktionen af fosfat skal sidstnævnte hurtigt kombineres med den korrekte hydroxylgruppe i nukleotidet.
For at nukleotider kan danne RNA, skal de selv aktiveres. Aktiverede purin-nukleotider danner små kæder på den eksisterende pyrimidin-RNA-skabelon, men denne proces fungerer ikke omvendt, fordi pyrimidin-nukleotider ikke polymeriserer så let.
Derudover skal al ribosen være af den samme stereoisomertype, fordi ethvert nukleotid med den forkerte chiralitet virker som en kædeterminator.
Ifølge kritikere af RNA-verdenshypotesen (for eksempel A. Caines-Smith) ville processen med at opbygge nukleinsyrer kræve synkronisering af gunstige forhold og begivenheder. Desuden skal denne synkronisering være lang nok i tid (over millioner af år) til at skabe en tilstrækkelig mængde nødvendige stoffer.
På trods af dette blev to pyrimidinribonukleotider i 2009 syntetiseret uden dannelse af mellemprodukter (ribose og nitrogenholdig base), men andre mellemprodukter (arabinose og nukleosid anhydrid ) blev dannet. I 2016 blev det vist, at det er muligt at syntetisere de resterende purin-nukleotider: adenin og guanin og kombinere dem med ribose. Det er dog endnu ikke fastlagt, hvordan tilsætningen af fosfatresten kan forløbe.
Biokemiker R. Shapiro kritiserer RNA-verden-hypotesen og mener, at sandsynligheden for spontan fremkomst af RNA med katalytiske egenskaber er meget lav. I stedet for hypotesen "i begyndelsen var der RNA", foreslår han hypotesen "i begyndelsen var der metabolisme", det vil sige fremkomsten af komplekser af kemiske reaktioner - analoger af metaboliske cyklusser - med deltagelse af lavmolekylære forbindelser forekommer inde i rum - rumligt begrænset af spontant dannede membraner eller andre fasegrænser - områder. Dette koncept er tæt på koacervat- hypotesen om abiogenese foreslået af AI Oparin i 1924 [16] .
En anden hypotese om abiogen RNA-syntese, designet til at løse problemet med den lave estimerede sandsynlighed for RNA-syntese, er hypotesen om verden af polyaromatiske kulbrinter , foreslået i 2004 og foreslår syntesen af RNA-molekyler baseret på en stak polyaromatiske ringe.
Faktisk afviser begge hypoteser om "præ-RNA-verdener" ikke hypotesen om RNA-verdenen, men modificerer den, postulerer den indledende syntese af replikerende RNA-makromolekyler i primære metaboliske rum eller på overfladen af associerede, hvilket skubber "RNA'et verden" til anden fase af abiogenese .
Akademiker fra det russiske videnskabsakademi A. S. Spirin mener, at RNA-verdenen ikke kunne have optrådt og eksisteret på Jorden, og overvejer muligheden for en udenjordisk (primært på kometer) oprindelse og udvikling af RNA-verdenen [17] .
![]() |
---|
evolutionær biologi | |
---|---|
evolutionære processer | |
Evolutionsfaktorer | |
Befolkningsgenetik | |
Livets oprindelse | |
Historiske begreber | |
Moderne teorier | |
Udvikling af taxa | |
Livets oprindelse | |
---|---|
Begreber | |
Hypoteser |
|
Undersøgelse |