Представьте себе: это Земля, примерно четыре миллиарда года назад. Клеток ещё не существует. Нет мембран, способных удерживать что-либо. Лишь вихревой, горячий, химически враждебный бульон из молекул. И где-то, каким-то образом, РНК — молекула, несущая генетическую информацию, — должна выжить, найти другие молекулы РНК и начать осуществлять химические реакции, которые в конечном итоге приведут к жизни в том виде, в каком мы её знаем.
Как именно это произошло? Это одна из величайших загадок науки, и, честно говоря, тот факт, что мы здесь и можем об этом размышлять, кажется поистине ошеломляющим, если учесть все препятствия, которые пришлось преодолеть.
Исследователи из Университета Буффало недавно обнаружили нечто увлекательное, что может помочь всё это объяснить. И вот что интересно: всё сводится буквально к одному атому кислорода.
Проблема «курицы и яйца» в ранней жизни
Вот в чём суть РНК: она хрупкая. Если подвергнуть её воздействию слишком высокой температуры, кислотности или агрессивных химических веществ, она разрушается. На ранней Земле такие условия были повсюду.
Но РНК также должна взаимодействовать с другими молекулами РНК, чтобы делать что-то интересное — например, реплицироваться, катализировать реакции или в конечном итоге привести к появлению первых белков, а затем и ДНК. До появления клеток не существовало мембран, которые удерживали бы молекулы РНК в одном месте. Они просто рассеивались в огромном океане, едва сталкиваясь друг с другом.
Так как же РНК могла организоваться настолько, чтобы запустить жизнь?
Появление капель
Учёные давно подозревали, что РНК могла создавать своего рода защитные компартменты — капли, действующие как крошечные жидкие пузырьки без мембран. Представьте себе масляные капли в заправке для салата, но состоящие из РНК и воды.
Эти капли могли концентрировать молекулы РНК в одном месте, увеличивая вероятность их взаимодействия. Они также обеспечивали некоторую защиту от суровой окружающей среды. Вопрос заключался в том: почему РНК так хорошо образует эти капли?
Именно здесь на помощь приходит новое исследование.
Маленький химический секрет
Вот что меня абсолютно завораживает в этом исследовании. РНК и ДНК часто описывают как похожие молекулы: ДНК — это долгосрочное хранение информации, РНК — посредник. Но химически они отличаются лишь одной крошечной особенностью.
Каждый сахарный остаток в РНК содержит так называемую 2'-гидроксильную группу (или 2'-OH). У сахара в ДНК такой группы нет — вместо неё там находится атом водорода. Таким образом, мы говорим буквально об одном атоме кислорода, присоединённом к атому водорода, что делает РНК лишь немного более сложной, чем ДНК.
Один. Атом. Кислорода.
Вот и всё.
И тем не менее, эта крошечная разница, по-видимому, является решающим фактором для способности РНК образовывать те самые защитные капли.
Эксперименты, которые всё раскрыли
Исследовательская группа сравнила поведение РНК и ДНК при нагревании. Они использовали одинаковые генетические последовательности для обоих типов молекул, так что единственным отличием был тот самый атом кислорода.
Результаты оказались примечательными: РНК начинала образовывать капли при температуре примерно на 10°C ниже, чем ДНК. Десять градусов могут показаться незначительной разницей, но в химии это на самом деле огромная величина. Это означает, что у РНК значительно более сильная склонность к конденсации и образованию таких структур.
Но становится ещё интереснее.
Когда РНК образовывала капли, молекулы внутри них соединялись друг с другом, создавая взаимосвязанные сети. По мере роста этих сетей капли переходили из жидкого состояния — похожего на жидкий мёд — в состояние, более напоминающее гель. Это гелеобразное состояние могло обеспечивать ещё лучшую защиту для находящейся внутри РНК, подобно тому, как некоторые организмы используют защитные покрытия для выживания в суровых условиях.
Почему один атом кислорода так важен?
Учёные углубились в изучение механизма, стоящего за