Искусственные РНК копируют сами себя до бесконечности

 Нуклеиновые кислоты содержатся во всех клетках живых организмов. Они бывают двух типов: дезоксирибонуклеиновые, или ДНК, и рибонуклеиновые, или РНК. Различия в их строении определяются содержанием различных углеводов - дезоксирибозы и рибозы.

Учёным из исследовательского института Скриппса (Scripps Research Institute) впервые удалось синтезировать РНК-ферменты, которые способны воспроизводить сами себя бесконечно, даже в отсутствие каких-либо белков и других составляющих клетки. Предполагается, что такие же соединения стали основой жизни на Земле.

Наука давно пытается найти ответ на вопрос, как же на нашей планете появилась жизнь. Одна из гипотез гласит, что первыми молекулами, способными создавать копии самих себя, были РНК (так называемая гипотеза мира РНК). Именно они и заложили зачатки наследственности – столь важного свойства живых организмов. Значительно позже их функции переняли на себя ДНК и белки. Теперь РНК не может выполнять свои задачи отдельно от ДНК, являющейся главным носителем наследственной информации.

Гипотеза гипотезой, однако ранее у учёных так и не получилось создать колонию РНК-ферментов (или как их ещё называют рибозим), катализирующих процесс копирования РНК без помощи каких-либо соединений со стороны.
Трейси Линкольн (Tracey Lincoln) и её научному руководителю профессору Джеральду Джойсу (Gerald Joyce) это удалось впервые.Эволюции в пробирке им удалось достичь при помощи метода принудительной адаптации. Если говорить упрощённо: сначала учёные взяли созданный ранее рибозим, проявляющий способности к репликации, затем они улучшили его, чтобы он смог эффективно и непрерывно самовоспроизводится.

Конечно, процесс был вовсе не так прост. Чтобы добиться желаемого результата, Линкольн поначалу синтезировала в лаборатории огромное количество вариаций тех самых РНК-ферментов.

Затем в пробирках было проведено тестирование наиболее многообещающих образцов. В конце концов учёные выделили именно те соединения, которые наиболее эффективно воспроизводили себе подобных.

Полученный образец представляет собой пару ферментов, каждый из которых состоит из двух частей (элементов). Оба рибозима являются катализаторами, осуществляющими сборку "соседа".
Циклический процесс кроссрепликации (то есть перекрёстной, взаимной репликации) осуществляется следующим образом: первый рибозим связывает обе части второго, создавая с их помощью его новую копию, в это же время второй рибозим проделывает ту же операцию с первым. 

Таким образом, оба фермента осуществляют сборку друг друга. В начале необходимо лишь небольшое стартовое количество двух РНК-ферментов, а также постоянно пополняющийся запас их составляющих частей.
Но и на этом биологи не остановились. Они вывели несколько таких успешных пар рибозимов, затем смешали 12 из них в одной среде (вместе с необходимыми им для постройки элементами) и посмотрели, кто же лучше всего будет бороться за место под солнцем.

Позже выяснилось, что несколько ферментов всё же совершали ошибки и "приклеивали" не те составляющие рибозимов, которые надо (выхватывая из массы чужие элементы). Такие "неправильные" копии продолжали плодиться, а некоторые из них даже начинали доминировать в смеси. В пробирках происходила своего рода эволюция! И возможно, биологи смогли взглянуть на процессы, что происходили в начале появления жизни на Земле.

"То, что мы имеем, нельзя назвать формой жизни, однако это нечто обладает свойствами живых организмов, и это очень интересно", — делится впечатлениями Линкольн.

О потенциальных возможностях применения обнаруженных РНК-ферментов учёные пока не распространяются.Элементы рибозимов, которые учёные исследовали в своей лаборатории, достаточно сложны по своей структуре (состоят из множества нуклеотидов) и вряд ли присутствовали в первобытных водоёмах. Составляющие зарождающейся жизни, вероятно, были проще. Тем не менее открытие Джойса и Линкольн подтверждает гипотезу РНК-мира и наверняка станет основой для будущих работ в данной области.

РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (РНК), семейство нуклеиновых кислот, содержащих в качестве углеводного компонента остаток рибозы. PНK присутствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах, связанных с передачей генетической информации от дезоксирибонуклеиновой кислоты(ДНК) к белку. Из РНК образованы геномы многих вирусов.

Строение рибонуклеиновых кислот

За редким исключением все PНK состоят из одиночных полинуклеотидных цепей. Их многомерные единицы — монорибонуклеотиды — содержат пуриновые— аденин и гуанин и пиримидиновые основания — цитозин и урацил. Обычно нуклеотиды обозначают начальными буквами названий входящих в их состав оснований на английском или русском (в русскоязычной научной литературе) языках: соответственно А, G (Г), С (Ц) и U (У). Как и в молекулах ДНК, отдельные нуклеотиды связаны между собой 3'-, 5'- фосфодиэфирными связями: остаток фосфорной кислоты служит связующим звеном между 3'-атомом углерода рибозы одного нуклеотида и 5'-атомом углерода рибозы другого (исходя из этого различают 3'-; и 5'-конец молекулы).
Молекулы PНK содержат от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч нуклеотидов. Все РНК способны к формированию вторичной структуры, основным элементом которой являются сравнительно короткие двуцелочечные тяжи, образованные комплементарными основаниями одной и той же молекулы, и связывающие их однотяжевые участки.

Синтез РНК

В живой клетке синтез РНК происходит с помощью фермента РНК-полимеразы в процессе транскрипции — считывания (переписывания) информации заложенной в молекуле ДНК, или в гене (часто группе генов).
Молекулы РНК формируются на матрице, которой служит одна из цепей ДНК, последовательность нуклеотидов в которой определяет порядок включения рибонуклеотидов по принципу комплементарности (гуанин против цитозина, урацил против аденина и т. д.). РНК-полимераза, продвигаясь вдоль одной из цепей ДНК, соединяет нуклеотиды в том порядке, который определен матрицей. Образовавшиеся молекулы РНК называют транскриптами.

История изучения РНК

Впервые РНК была выделена в 1889 году немецким биохимиком Р. Альтманом из клеток дрожжей. Но только в 1950-х гг., после доказательства генетической роли ДНК и установления ее двуцепочечной структуры, были описаны основные типы РНК и определены их функции. Было показано, что основная масса РНК в клетке (до 80%) приходится на рибосомные рибонуклеиновые кислоты (рРНК), которые в комплексе с белками образуют клеточную органеллу — рибосому, и непосредственно участвуют в биосинтезе белка (см. Трансляция).
В начале 19б0-х гг. на основании того, что у эукариот почти вся ДНК сосредоточена в ядре, а синтез белка протекает главным образом в цитоплазме на рибосомах, была высказана мысль о том, что какой-то вид РНК несет генетическую информацию для синтеза белка, то есть должна существовать какая-то молекула, переносящая информацию от ядра к рибосомам. Вскоре было установлено, что эту роль играют информационные, или матричные, рибонуклеиновые кислоты (иРНК, мРНК) — комплементарные копии генов.

Каждому работающему гену (или группе генов) соответствует своя молекула мРНК. Первичный транскрипт (мРНК-предшественник) по размерам намного (в 4-5 раз) превышает зрелую мРНК, которая, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белка на рибосомах. Это связано прежде всего с экзон-интронным строением большинства эукариотических генов. В ходе созревания (процессинга) мРНК ее интронные участки удаляются, а экзоны — сшиваются друг с другом, или, как говорят, подвергаются сплайсингу. Кроме того, молекула мРНК претерпевает и некоторые другие изменения (укорачивание со стороны 3'-конца, присоединение от 20 до 200 остатков адениловой кислоты и т. д.). Каждые три последовательно расположенных основания в зрелой мРНК, называемые кодонами, соответствуют определенной аминокислоте в молекуле белка, который синтезируется по мере продвижения вдоль нее рибосомы. У прокариот мРНК не претерпевает существенных изменений после синтеза на ДНК.

В расшифровке же (декодировании) записанной в мРНК информации участвуют транспортные рибонуклеиновые кислоты (тРНК). Они переносят нужную аминокислоту к растущей полипептидной цепи в ходе синтеза белка. Узнавание кодона в мРНК осуществляется с помощью трех оснований в тРНК, называемых антикодонами, а доставляемая аминокислота присоединена к ее 3'-концу. Специфичность такой системы переноса обеспечивается тем, что имеется по крайней мере одна тРНК для каждой аминокислоты (валиновая тРНК переносит валин, аланиновая — аланин и т. д.). Но, как правило, в цитоплазме клеток встречается около 40 видов тРНК, которые доставляют 20 аминокислот, так как одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

В дальнейшем были разработаны способы определения последовательности нуклеотидов в РНК, установления ее пространственной структуры. Крупнейшим открытием явилось обнаружение у некоторых РНК, названных рибозимами, способности расщеплять полирибонуклеотидные цепи, то есть играть роль фермента (ранее считалось, что ферментами могут быть только белки). Этот факт дал основания предполагать, что в период зарождения жизни на Земле РНК могла действовать самостоятельно (без белков и ДНК) и все биохимические превращения осуществлялись при ее участии.
Среди всех вышеперечисленных основных трех классов РНК наиболее изучены тРНК. Отличительной особенностью тРНК является наличие в их структуре так называемых минорных (необычных) оснований (описано более 40 таких оснований). Среди них наиболее часто встречаются инозин — производное аденина, псевдоуридин и другие производные урацила.

Минорные основания появляются в тРНК уже после ее синтеза на ДНК, причем превращение обычных оснований в модифицированные происходит при участии специальных ферментов. Различные виды тРНК имеют сходную структуру и состоят примерно из 76 нуклеотидов (молекулярная масса 25 тыс.). Укладка молекул тРНК напоминает по форме клеверный лист. В ней выделяют 4 участка (стебли), в которых комплементарные пары оснований образуют водородные связи, и 3 одноцепочечных участка (петли). Значительно сложнее выглядят структуры высокомолекулярных рРНК или геномной РНК вирусов, однако детали пространственной организации их молекул пока неизвестны.

Помимо вышеописанных типов РНК, все эукариотические клетки содержат множество низкомолекулярных (коротких) молекул РНК, которые находятся в виде комплекса с молекулами белка (нуклеопротеидные частицы). Так называемые малые ядерные РНК (мяРНК) играют ключевую роль в процессинге транскриптов. Роль цитоплазматических низкомолекулярных РНК до конца не ясна.

У РНК-содержащих вирусов геномы могут быть представлены или двуцепочечной РНК, или одноцепочечной. Во многих случаях структурная организация геномных РНК сходна с мРНК эукариот. Поэтому при синтезе вирусных белков в клетке вирусная РНК может использоваться непосредственно в качестве матрицы.