Вчені давно вважали, що вони зрозуміли, як розвивався генетичний код життя, але нові дослідження спростовують це припущення. Аналізуючи давні білкові послідовності, дослідники виявили, що раннє життя віддавало перевагу меншим амінокислотам і включало сполуки на основі сірки набагато раніше, ніж вважалося раніше. Це кидає виклик давнім експериментам і відкриває двері до можливості того, що вимерлі генетичні коди існували раніше нашого.
Злом коду походження життя
Незважаючи на вражаючу різноманітність, майже все живе на Землі — від крихітних бактерій до величезних синіх китів — має однаковий генетичний код. Але як саме і коли з’явився цей кодекс, залишається предметом наукових дискусій. Сосан Вебі, докторант Міждисциплінарної програми для аспірантів з генетики Університету Арізони, виявив переконливі докази, які ставлять під сумнів загальноприйнятий погляд на еволюцію генетичного коду. У дослідженні, опублікованому в PNAS, Вебі та її команда припускають, що порядок, у якому амінокислоти — фундаментальні будівельні блоки коду — були включені в генетичний код, не узгоджується з давньою теорією «консенсусу». Їх висновки вимагають переоцінки того, як виник універсальний план життя.
Напрочуд стратегічна еволюція Кодексу
«Генетичний код — це дивовижна річ, у якій рядок ДНК або РНК, що містить послідовності з чотирьох нуклеотидів, транслюється в білкові послідовності за допомогою 20 різних амінокислот», — сказала Джоанна Масел, старший автор статті та професор екології та еволюційної біології в the U of A. «Це неймовірно складний процес, і наш код напрочуд хороший. Це майже оптимально для цілої купи речей, і, мабуть, розвивалося поетапно». Дослідження показало, що раннє життя віддавало перевагу меншим молекулам амінокислот над більшими та складнішими, які додавали пізніше, тоді як амінокислоти, які зв’язуються з металами, приєднувалися набагато раніше, ніж вважалося раніше. Нарешті команда виявила, що сьогоднішній генетичний код, ймовірно, з’явився після інших кодів, які згодом вимерли.
Переоцінка класичних експериментів
Автори стверджують, що поточне розуміння того, як еволюціонував код, є помилковим, оскільки воно спирається на оманливі лабораторні експерименти, а не на докази еволюції. Наприклад, один із наріжних каменів загальноприйнятих поглядів на еволюцію генетичного коду спирається на знаменитий експеримент Урі-Міллера 1952 року, який намагався змоделювати умови на ранній Землі, які, ймовірно, свідчили про зародження життя. Незважаючи на цінність демонстрації того, що нежива матерія може давати початок будівельним блокам життя, включаючи амінокислоти, через прості хімічні реакції, наслідки експерименту були поставлені під сумнів. Наприклад, він не дав жодної амінокислоти, що містить сірку, незважаючи на те, що цей елемент був у великій кількості на ранній Землі. В результаті вважається, що сірчані амінокислоти приєдналися до коду набагато пізніше. Однак результат не дивний, враховуючи, що сірка була виключена з інгредієнтів експерименту.
Сірка і пошук інопланетного життя
За словами співавтора Данте Лауретти, професора кафедри планетарних наук і космохімії університету Місячно-планетарної лабораторії, багата сіркою природа раннього життя дає розуміння для астробіології, зокрема для розуміння потенційної придатності для проживання та біосигнатур позаземних середовищ.
«На таких світах, як Марс, Енцелад і Європа, де переважають сполуки сірки, це може сприяти нашим пошукам життя, висвітлюючи аналогічні біогеохімічні цикли або мікробний метаболізм», — сказав він. «Таке розуміння може покращити те, що ми шукаємо в біосигнатурах, допомагаючи виявляти форми життя, які процвітають у багатих сіркою або аналогічних хімікатах за межами Землі».
Новий підхід до відстеження еволюції
Команда використала новий метод, щоб проаналізувати послідовності аміногрупи в дереві життя, аж до останнього універсального спільного предка, або LUCA, гіпотетичної популяції організмів, яка жила близько 4 мільярдів років тому і представляє спільного предка всіх життя на Землі сьогодні. На відміну від попередніх досліджень, у яких використовували повнорозмірні білкові послідовності, Вебі та її група зосередилися на білкових доменах, коротших ділянках амінокислот.
«Якщо ви думаєте, що білок — це автомобіль, домен — це як колесо», — сказав Вебі. «Це деталь, яку можна використовувати в багатьох різних автомобілях, а колеса існують набагато довше, ніж автомобілі».
Щоб зрозуміти, коли конкретна амінокислота, ймовірно, була залучена до генетичного коду, дослідники використовували інструменти статистичного аналізу даних, щоб порівняти збагачення кожної окремої амінокислоти в білкових послідовностях, починаючи з LUCA, і навіть далі в минулому. Амінокислота, яка з’являється переважно в стародавніх послідовностях, ймовірно, була включена рано. І навпаки, послідовності LUCA виснажені на амінокислоти, які були набрані пізніше, але стали доступними до того часу, коли з’явилися менш давні білкові послідовності.
Відкриття генетичного відлуння вимерлих кодів
Команда визначила понад 400 сімейств послідовностей, що відносяться до LUCA. Понад 100 із них виникли ще раніше та були диверсифіковані ще до LUCA. Виявилося, що вони містять більше амінокислот з ароматичними кільцевими структурами, таких як триптофан і тирозин, незважаючи на те, що ці амінокислоти були пізніми доповненнями до нашого коду.
«Це дає натяки на інші генетичні коди, які з’явилися раніше нашого і з тих пір зникли в безодні геологічного часу», — сказав Масел. «Здається, в ранньому віці любили каблучки».