Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Путеводитель по гипотезам: от мыши до аминокислоты

То, что жизнь существует — это аксиома. Вопрос в другом: откуда эта самая жизнь взялась на Земле? Таким вопросом люди задавались еще в глубокой древности. Поэтому, спустя долгие столетия, мы имеем огромное количество гипотез происхождения жизни, путешествовать по дебрям которых без карты очень непросто. Если в самых общих чертах структурировать все имеющиеся гипотезы, можно разделить их на две больших группы.

Первая группа гипотез называется «Абиогенез», девиз которой — «живое произошло из неживого». Её оппонентом выступает вторая группа — «Биогенез», то есть «живое из живого». История взаимоотношений и эволюции взглядов внутри этих двух группировок начинается еще в глубокой древности. Пожалуй, основоположниками концепций происхождения жизни можно считать первых язычников — сторонников биогенеза. Именно они придумали идею сотворения жизни богами. (Пройдут века, прежде чем концепцию акта создания всего живого Творцом назовут креационизмом.) Но даже в те далекие времена гипотеза, возводящая на пьедестал высшие силы, была не единственной. Альтернативой тогдашнему креационизму выступала гипотеза самозарождения. Здесь достаточно будет вспомнить Аристотеля, сторонника абиогенеза и фактического создателя учения о спонтанном зарождении жизни. Он писал и об «активном начале» в оплодотворенном яйце, и о самозарождении мышей из речного ила при разливах Нила.

На протяжении всех Средних веков и вплоть до начала Нового времени история изобиловала сторонниками абиогенеза — «самозарожденцами». С XIII до XVII века жизнь на Земле отличалась от сегодняшней. В те времена мухи возникали в гнилом мясе, мыши появлялись из грязных тряпок, а рецепт создания гомункула с использованием крови и конского навоза от Парацельса считался эталонным (рис. 1). Первым, кто посеял зерно сомнения в этом идеально-воспроизводящемся средневековом мире, стал итальянский врач Франческо Реди. Его эксперименты с мясом, покоящимся в закрытых тканью кувшинах, впервые показали невозможность самозарождения червей в мясе. И неудивительно, ведь все это время они вылуплялись из яиц, отложенных мухами.

Вскоре благодаря Антони Левенгуку и его почти однофамильцу (но отнюдь не соотечественнику) Роберту Гуку были открыты микроорганизмы [1]. Алхимический мир замер в ожидании: уж эти-то простейшие существа должны самозарождаться! Но последователей Парацельса ждало разочарование: сначала Ладзаро Спалланцани (рис. 2), а вслед за ним и Луи Пастер в своих опытах с кипячением бульона в запаянной и изогнутой колбах показали, что бульон не портится. Значит, даже микроорганизмы должны образовываться от себе подобных.

После успехов Пастера идея самозарождения с треском провалилась, спровоцировав раскол среди сторонников абиогенеза. Возможно, поэтому история совершила очередной поворот, и в XVIII–XIX веках вновь укрепилась религиозная, «биогенная» идея сотворения жизни Богом. В меньшинстве были сторонники «вечной жизни», или, говоря современным языком, теории стационарного состояния. Они, в отличие от своих оппонентов, вообще не признавали вопроса о происхождении жизни. Ведь как может возникнуть то, что существовало вечно, а значит, и не имеет начала?

Но ученым ни та, ни другая идея не понравилась, и они стали искать новые пути восхождения на вершину под названием «Происхождение жизни». Первых успехов достигли в 1920-х годах Александр Опарин и Джон Холдейн, которые независимо друг от друга предположили, что на древней Земле в бескислородной атмосфере могли самопроизвольно образовываться органические вещества, необходимые для конструирования клеток. Экспериментальное подтверждение этой гипотезы удалось получить только в 1950-е годы благодаря знаменитому эксперименту Миллера—Юри. Эти американские химики подобрали смесь газов, напоминающую древнюю атмосферу Земли (метан, аммиак, водород, монооксид углерода), и запаяли ее в герметичную стеклянную колбу. Снизу в нее нагнетался горячий водяной пар, а сверху располагались вольфрамовые электроды, генерирующие искровой разряд. Пропусканием через них электрического тока в течение нескольких дней ученые моделировали условия грозы в окрестностях прибрежного вулкана (рис. 3).

После окончания синтеза Стенли Миллер обнаружил в реакционной колбе пять аминокислот — основных строительных блоков белков. По результатам эксперимента был сделан вывод: большинство необходимых для жизни молекул могли синтезироваться абиогенно в условиях древней Земли [2].

Спустя почти 50 лет, уже в 2008 году, провели повторный эксперимент с использованием более точных методов исследования, позволяющих идентифицировать компоненты смеси даже в субпикомолярной концентрации (менее 10⁻¹² моля на литр). Для этого ученые растворили смесь газов в дважды дистиллированной деионизированной воде и провели высокоэффективную жидкостную хроматографию, результаты которой проанализировали на масс-спектрометре. Оказалось, что смесь продуктов на выходе содержала не пять, а 22 аминокислоты. Впрочем, повторение эксперимента в других модификациях показали, что даже небольшие изменения условий процесса приводят к существенным изменениям качественного состава продуктов реакции.

Неразгаданный рецепт пребиотической кухни

Казалось бы, идея зарождения органической жизни из неорганических молекул была успешно продемонстрирована в опыте Миллера. Но даже тогда исследователи не могли ответить на вопрос: как произошел качественный прыжок от неживого к живому? Загадочный процесс перехода «пребиотического супа» к полноценным первичным бактериям остался наиболее заметным «белым пятном» в уязвимой гипотезе химической эволюции.

Еще больше пошатнуло основы гипотезы Опарина открытие, ставшее для XX века сенсационным — расшифровка Уотсоном и Криком структуры ДНК. После 1953 года ученые узнали об устройстве живой клетки больше, чем за всю предшествующую историю развития биологии. Открытие структуры генетического кода и механизмов удвоения ДНК, исследование передач наследственной информации в клетках (от ДНК через РНК к белку) показали: живые клетки гораздо сложнее, чем кажутся. Со времен Опарина не прошло и сорока лет, а пропасть между живым и неживым стала казаться вовсе непреодолимой. К тому моменту уже подсчитали, что в геноме даже наиболее просто устроенных бактерий содержатся мегабайты информации.

Еще в 2010 году группа молодых исследователей из Университета Гонконга предложила оригинальный способ хранения данных в бактериях. Они подсчитали, что в 1 г живого материала помещается примерно 900 терабайт информации. Шифрование осуществляется с использованием четвертичной системы счисления — по количеству нуклеотидов ДНК. В эксперименте для хранения использовалась палочка-выручалочка современной биотехнологии — модифицированная E. coli.

А биологи из Гарварда пошли еще дальше и «записали» на ДНК кишечной палочки один из первых видеороликов в истории человечества, снятый в 1878 году (рис. 4). Эту манипуляцию удалось осуществить при помощи модных сейчас CRISPR-белков [3]. Впрочем, сможет ли молекулярная память конкурировать с традиционными цифровыми носителями информации — вопрос открытый.

Случилось то, что часто случается в науке: новые открытия породили новые проблемы. Во времена Опарина клетка была устроена проще, чем оказалось после исследований структуры ДНК. К тому же в любой клетке есть множество других сложнейших систем: молекулярные машины для сборки белков, высокопроизводительные системы энергоснабжения, контрольно-пропускные пункты мембраны со строгой системой входа-выхода веществ. И если жизнь на Земле началась с одной живой клетки, то для ее возникновения случайным образом требовалось гигантское время, многократно превышающее возраст Вселенной.

«Клетка — элементарная единица живого»

Первый постулат классической клеточной теории сохраняет свою актуальность и поныне, но отнюдь не освобождает ученых от проблемы происхождения жизни. Эволюция длиной в несколько Вселенных каким-то образом вывела бактерию к растениям, животным и, наконец, человеку. Этот процесс стал возможен благодаря способности клеток создавать собственные копии. Но есть ли нечто более простое, чем клетка, и в то же время способное самостоятельно реплицироваться? Ответ на этот вопрос был получен в начале 1980-х годов с открытием рибозимов. С их помощью удалось найти лазейку в незыблемой концепции эволюции.

Рибозимы — это молекулы РНК, обладающие, подобно белковым энзимам (ферментам), каталитической активностью. Отсроченное во времени открытие этих структур связано, быть может, с их кажущейся незначительностью. До этого большинство исследований были посвящены либо ДНК — «жесткому диску» клетки, либо белковым молекулам — основным машинам клеточного цеха, выполняющим жизненно важные функции. РНК же считалась исключительно «съемным носителем», посредником между ДНК и белками. Сдвиг в этом биологическом неравенстве наметился после обнаружения вирусов, хранящих наследственную информацию в РНК. Наконец, в лаборатории Томаса Чека открыли рибозимы — молекулы РНК, способные ускорять химические реакции. Более того, оказалось, что в активном центре рибосомы — молекулярной машины, собирающей белки, — есть рибозим. Это значит, что РНК способна не только ускорять собственное удвоение, но и контролировать сборку белковых молекул. Так появилась идея «мира РНК» — мира, в котором эволюция вдохнула жизнь не в клетку, а в рибозим — катализатор и хранитель генетической информации [4]. Именно он стал первой просто устроенной живой системой, приступившей к эволюции задолго до появления клеток.

Но в этой гипотезе, как и во всякой другой гипотезе происхождения жизни, есть одно «но». Согласно уже полученным данным, жизнь появилась на Земле около 3,8 миллиарда лет назад (видео) [5].

В то время наша планета была покрыта водой, а в атмосфере было крайне мало синглетного кислорода. Такие условия — избыток воды и нехватка кислорода — препятствуют концентрации боратов (солей борной кислоты) и молибдатов (солей молибдена), двух важных катализаторов для образования РНК. Минералы бората помогают простым органическим молекулам образовывать углеводные кольца. Затем молибден перестраивает эти кольца, собирая рибозу, важнейший строительный блок РНК. Когда простые органические молекулы, растворенные в воде — «первичном бульоне» — получают источник энергии, но испытывают дефицит бората или молибдата, то в итоге образуется смола, а не РНК.

Как клубки из бус помогают ускорять реакции?

Суммируем имеющиеся в наличии факты [6–9].

1. Примерно 4 млрд лет назад в «первичном бульоне» плавало некоторое количество простейших органических веществ.
2. Благодаря каким-то процессам эти короткие молекулы начали собираться в более длинные цепи — полимеры-прообразы будущих нуклеиновых кислот и белков.
3. Под действием какого-то катализатора процесс производства информационных структур (возможно, рибозимов) был поставлен на поток, что «сжало» эволюцию органического мира до 3,8 млрд лет.

В вышеприведенном тексте осталось заменить все относительные местоимения на существительные, чтобы перешагнуть ступень между «химией» и «биологией» жизни докембрийского периода. Кажется, это удалось сделать исследователям университета Стоуни-Брук и лаборатории Лоуренса Беркли.

Кен Дилл, ведущий автор статьи, опубликованной в сентябре 2017 года в PNAS [10], рассказывает о том, как с помощью вычислительной модели удалось показать механику возникновения катализаторов, необходимых для создания биологической жизни.

Сегодняшние формы жизни в своей основе состоят из информационных полимеров — белков и нуклеиновых кислот. К процессам биосинтеза белка и репликации ДНК в живых клетках образца 2017 года вопросов нет. Но как происходили аналогичные процессы сборки полимеров в докембрийскую эру?

В более ранних исследованиях механизмов полимеризации цепей рассматривали два класса математических моделей.

Первый класс — модели «преинформационного» мира. Они предполагают, что химические процессы между небольшими молекулами предшествовали появлению реакций полимеризации. С помощью данной модели был разработан механизм автокатализа удлинения цепи РНК: считается, что некоторые короткие РНК-цепи могут выступать «спонтанными» катализаторами рибозимов.

Второй класс — модели, описывающие «постинформационный» мир гетерополимеров, в котором уже прослеживаются определенные тенденции удлинения цепей. Предполагают, что олигомеры способны распознавать собственные мономеры, концентрируя их вокруг себя.

Исследователи из Стоуни-Брук и лаборатории Лоуренса Беркли попытались найти механизм, описывающий переход от пре- к постинформационному миру, для обнаружения перехода от простой химии к биологии (chemistry-to-biology, CTB). Учеными была выдвинута гипотеза о том, что переход СТВ происходит через особые «складчатые» полимеры, которые строят собственную структуру с помощью гидрофобных (Н) и полярных (Р) мономеров. Вот основные предпосылки механизма, выделенные в ходе компьютерного моделирования полимеризации НР:

1. Некоторые случайные последовательности мономеров НР складываются в компактные структуры, образуя «складчатые» полимеры.
2. При складывании мономеров в компактную структуру — глобулу — на внешней поверхности остаются гидрофобные участки, способные выполнять функцию «посадочных площадок» для других мономеров НР.
3. «Складчатый» полимер с гидрофобными «посадочными площадками» — фолдамер (рис. 5) — способствует присоединению новых мономеров, удлиняя цепь.
4. Удлинение цепи фолдамера, связанной с глобулой, обеспечивает автокатализ процесса присоединения мономеров НР.

Для более наглядного описания такой модели можно провести аналогию с ожерельем, на которое в произвольном порядке нанизаны красные и синие бусины. Пусть красные бусины будут гидрофобными мономерами (Н), а синие, соответственно, полярными (P). «Первичный бульон» 3,8-миллиардолетней давности — это мир неорганической химии, где вступать в реакции могут любые молекулы длиной пять-шесть бусин. Однако для создания сложных органических молекул, способных эволюционировать, необходимо связать между собой по меньшей мере несколько сотен бусин .

Возможностям моделирования, сборки и сгибанию полимерных цепей посвящено более раннее исследование, проведенное учеными Пенсильванского университета [11].

Для математического расчета механизма сборки полимера ученые задали определенные параметры, предполагая, что цепная полимеризация происходит в окружающем растворе с достаточным запасом мономеров. При этом учитывали скорость поступления мономеров в раствор, скорость удлинения цепи на одно звено, скорость деградации или удаления мономеров из раствора и скорость спонтанного гидролиза цепи из-за взаимодействия с водой. Все остальные параметры брали относительно общей скорости роста цепей. Благодаря этому удалось описать три разных варианта поведения полимеров.

Вариант 1. Вновь образованные полимеры в отсутствие влияния других факторов подвергаются гидролизу. В данной модели регистрировали постепенное снижение популяций полимеров с длинной цепью.

Вариант 2. Цепи полимеров способны «сгибаться» с образованием компактных глобул, однако не способны катализировать процесс полимеризации. Данная модель показала, что компактизация полимерных цепей в глобулы способствует более медленной деградации структур (в сравнении с вариантом 1).

Вариант 3. Цепи полимеров складываются в компактные структуры, а затем автокатализируют процесс присоединения новых мономеров. Данная модель способствовала генерации популяций полимеров со значительно большей длиной цепи, чем в вариантах 1 и 2.

Более ранние работы показывали, что компактизация цепей возможна только под влиянием гидролиза и агрегации. Однако подобный механизм больше присущ постинформационному миру, когда полимерные структуры стремятся к оптимизации пространства. Механизм, продемонстрированный учеными центра Стоуни-Брук и лаборатории Беркли, соответствует пребиотическому миру, где процессы происходили случайным образом. Получается, что вариант 3, при котором цепи могут и складываться, и катализировать собственное удлинение, является более защищенным от действия гидролиза.

Так, обнаружили, что цепочки-мономеры с достаточным количеством красных бусин (гидрофобных мономеров) при попадании в воду превращаются в компактные структуры с гидрофобной поверхностью . Уникальность такой глобулы зависит от того, как много гидрофобных компонентов содержится в исходной цепочке (рис. 6). Эти компактные структуры — глобулы — что-то вроде «посадочных площадок» для новых цепочек мономеров. Дело в том, что мономер, свернутый в гидрофобную глобулу, становится катализатором и ускоряет процесс присоединения новых цепочек молекул. Исследователи назвали такие структуры «информационными фолдамерами» — полимерами, способными к автокатализу (рис. 7).

Тот же принцип лежит в основе несмешиваемости полярной воды и гидрофобного масла: капельки масла, неспособные раствориться в воде, образуют взвесь мицелл. Подробнее об этом физическом явлении, называемом гидрофобным эффектом, читайте в статье «Физическая водобоязнь» [12].

Попробуем суммировать результаты исследователей:

• короткие цепочки мономеров, имеющие в составе гидрофобные молекулы, при попадании в воду сворачиваются уникальным образом;
• чем выше доля гидрофобных компонентов в цепочке, тем большую складчатость при сворачивании приобретает глобула;
• во вновь образованной компактной глобуле есть гидрофобные участки — «посадочные площадки» для новых короткоцепочечных мономеров.

В таком состоянии глобула переходит на новый качественный уровень — становится катализатором, удлиняя саму себя.

Ученым еще предстоит длительная экспериментальная работа для доказательства правильности предложенной модели. Доктор Рональд Цукерман, соавтор статьи, на следующем этапе работы планирует подтвердить результаты с использованием компьютеров Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, чтобы изучить способность определенных мономерных структур сворачиваться и выполнять простые каталитические функции. Цукерман возлагает большие надежды на будущее практическое применение данной работы. Он считает, что исследование позволит искусственно собирать антитела с заданными свойствами, например, для направленной доставки лекарств к органам и тканям. Но перспективы практического использования механизма сборки глобул не отменяет фундаментальной значимости данной работы. Дальнейшее изучение превращений пребиотических полимеров в информационные фолдамеры позволит сделать ключевые шаги в понимании феномена возникновения жизни на Земле миллиарды лет назад.

Литература

1. 12 методов в картинках: микроскопия;
2. Элементы: Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера;
3. Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis, George M. Church. (2017). CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature. 547, 345-349;
4. РНК у истоков жизни?;
5. В диких условиях: как жил последний всеобщий предок LUCA;
6. Элементы: Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?;
7. Элементы: Синтез РНК в «протоклетках» всё-таки возможен;
8. К вопросу о происхождении жизни;
9. Рецензия. Михаил Никитин «Происхождение жизни. От туманности до клетки»;
10. Elizaveta Guseva, Ronald N. Zuckermann, Ken A. Dill. (2017). Foldamer hypothesis for the growth and sequence differentiation of prebiotic polymers. Proc Natl Acad Sci USA. 114, E7460-E7468;
11. Catherine M Goodman, Sungwook Choi, Scott Shandler, William F DeGrado. (2007). Foldamers as versatile frameworks for the design and evolution of function. Nat Chem Biol. 3, 252-262;
12. Физическая водобоязнь.