До появи перших клітин на Землі вже мала існувати складна хімія. Але виникає очевидна проблема: якщо не було мембрани, яка утримувала б молекули разом, як вони взагалі могли зібратися в достатній концентрації, щоб почати взаємодіяти?
Вчені знайшли можливу відповідь — і вона виявилася напрочуд простою. РНК може сама збиратися в крихітні краплі рідини без жодної оболонки. А здатність робити це визначає буквально один атом кисню. Повне дослідження було опубліковано в журналі Nature Communications.
РНК може створювати власні «мікроконтейнери»
Дослідники під керівництвом фізикині Прії Банерджі з Університету Буффало вивчали, як молекули РНК і ДНК поводяться у солоній воді. Вони взяли РНК і одноланцюгову ДНК з однаковою послідовністю та додали до них магній. Потім поступово нагрівали зразки під мікроскопом.
Результат виявився несподіваним: РНК починала збиратися в краплі приблизно на 10°C нижче, ніж ДНК. Для однієї з досліджених послідовностей різниця сягнула 15°C. Такі структури називають конденсатами. Вони не мають мембрани, але всередині них молекули опиняються значно ближче одна до одної. І саме це може бути важливим для сценаріїв походження життя.
Усе вирішує один атом
На перший погляд РНК і ДНК дуже схожі. Але є принципова хімічна відмінність. У цукровому компоненті РНК є додаткова група з киснем і воднем — 2′-гідроксильна група. У ДНК на цьому місці кисню немає.
Здавалося б, одна маленька деталь не повинна радикально змінювати поведінку величезної молекули. Але, схоже, саме вона відіграє ключову роль. Комп’ютерне моделювання та рентгенівські вимірювання показали, що РНК завдяки цій групі утримує іони магнію ближче до свого ланцюга. Водночас біля неї залишається менше молекул води.
Коли вода відходить, ланцюгам легше зближуватися. Тому РНК може утворювати конденсати за нижчої температури, ніж ДНК. Цікаво, що це суперечить простому правилу, яке працює для багатьох білків: більш компактні молекули зазвичай легше збираються разом. Тут першою це робить менш компактна молекула.
Деякі краплі перетворюються на гель
На цьому сюрпризи не закінчилися. Частина РНК-конденсатів після утворення переставала поводитися як рідина. Молекули всередині створювали своєрідну мережу, і структура переходила у гелеподібний стан. Причому охолодження вже не повертало її до початкового стану.
Кислотність води також мала значення. При рівні pH приблизно між 5 і 6 РНК могла перейти від оборотних крапель до більш стабільного гелю. Дослідники пов’язують це з цитозином — однією з чотирьох «літер» РНК, яка в кислому середовищі отримує протон. Така поведінка потенційно цікава для походження життя: стабільніша структура могла б частково захищати РНК від несприятливого середовища.
Чому це важливо для теорії «РНК-світу»
Існує популярна гіпотеза, відома як «РНК-світ». Вона припускає, що на ранніх етапах еволюції саме РНК могла одночасно зберігати генетичну інформацію та прискорювати хімічні реакції. Але тут є серйозна проблема. РНК досить нестабільна, а на ранній Землі умови навряд чи були комфортними.
Друга проблема — концентрація. Щоб молекули могли взаємодіяти та запускати складні реакції, вони повинні опинятися достатньо близько одна до одної. Сучасні клітини вирішують це за допомогою мембран та інших структур.
РНК-конденсати пропонують інший варіант: молекули можуть самі створювати своєрідний хімічний «контейнер», навіть якщо справжньої клітини ще не існує.
Але це ще не доказ появи життя
Є важливий нюанс. Дослідники не відтворили умови Землі чотири мільярди років тому. Експерименти проводили з лабораторно підготовленими молекулами, водою та контрольованими концентраціями магнію або кальцію. Це дозволяє вивчити механізм, але не доводить, що такі краплі реально існували на молодій планеті.
Наступний крок значно цікавіший. Команда Банерджі намагається змусити такі РНК-конденсати проводити біохімічні реакції всередині. Якщо це вдасться, вчені отримають щось схоже на надзвичайно примітивний прототип клітини — структуру, яка концентрує молекули та дозволяє їм взаємодіяти, але обходиться без мембрани.
Можливо, саме такі безмембранні «краплі» колись допоможуть зрозуміти, як нежива хімія зробила перший крок до життя. І найдивніше в цій історії те, що величезну роль у цьому процесі може відігравати деталь розміром лише в один атом.