Жизнь на Земле могла возникнуть из смеси РНК-ДНК

В исследовании, опубликованном в химическом журнале Angewandte Chemie, они продемонстрировали, что простое соединение, называемое диамидофосфатом (DAP), которое вероятно присутствовало на Земле до возникновения жизни, могло химически связать вместе крошечные строительные блоки ДНК, называемые дезоксинуклеозидами, в нити первичной ДНК.

Жизнь на Земле могла возникнуть из смеси РНК-ДНК

Это последнее открытие в серии открытий, сделанных за последние несколько лет, указывающих на возможность того, что ДНК и ее близкая химическая родственница РНК возникли вместе как продукты сходных химических реакций, и что первые самовоспроизводящиеся молекулы — первые формы жизни на Земле — это смесь двух.

Это открытие может также привести к новым практическим применениям в химии и биологии, но его главное значение состоит в том, что оно обращается к давнему вопросу о том, как впервые возникла жизнь на Земле. В частности, это открывает путь для более обширных исследований того, как самовоспроизводящиеся смеси ДНК-РНК могли развиваться и распространяться на исконной Земле и, в конечном итоге, положили начало более зрелой биологии современных организмов.

«Это открытие является важным шагом к разработке подробной химической модели того, как первые формы жизни возникли на Земле», — говорит старший автор исследования Раманараянан Кришнамурти, доктор философии, доцент кафедры химии в Scripps Research.

Открытие также отодвигает область химии происхождения жизни от гипотезы, которая доминировала в ней в последние десятилетия: гипотеза «мира РНК» утверждает, что первые репликаторы были основаны на РНК, и что ДНК возникла только позже как продукт форм жизни РНК.

Кришнамурти и другие сомневались в гипотезе мира РНК отчасти потому, что молекулы РНК могли просто быть слишком «липкими», чтобы служить первыми саморепликаторами.

Нить РНК может притягивать другие отдельные строительные блоки РНК, которые прилипают к ней, образуя своего рода зеркальную цепь — каждый строительный блок в новой цепи связывается со своим комплементарным строительным блоком на исходной, «шаблонной» цепи. Если новая нить может отделиться от эталонной нити и тем же самым способом начать создание шаблонов других новых нитей, то она достигла подвига самовоспроизведения, лежащего в основе жизни.

Но в то время как цепи РНК могут хорошо подбирать комплементарные цепи, они не так хорошо отделяются от этих цепей. Современные организмы производят ферменты, которые могут заставить двойниковые цепи РНК — или ДНК — идти разными путями, тем самым обеспечивая репликацию, но неясно, как это могло быть сделано в мире, где ферментов еще не существовало.

Кришнамурти и его коллеги показали в недавних исследованиях, что «химерные» молекулярные цепи, которые являются частью ДНК и частью РНК, могли бы обойти эту проблему, потому что они могут шаблонизировать комплементарные цепи менее липким способом, что позволяет им относительно легко разделяться. .

Химики также показали в широко цитируемых статьях последних нескольких лет, что простые рибонуклеозидные и дезоксинуклеозидные строительные блоки, РНК и ДНК соответственно, могли возникнуть в очень похожих химических условиях на ранней Земле.

Более того, в 2017 году они сообщили, что органическое соединение DAP могло сыграть решающую роль в модификации рибонуклеозидов и соединении их вместе в первые цепи РНК. Новое исследование показывает, что DAP в аналогичных условиях мог сделать то же самое с ДНК.

«К нашему удивлению, мы обнаружили, что использование DAP для реакции с дезоксинуклеозидами работает лучше, когда дезоксинуклеозиды не все одинаковые, а представляют собой смесь разных« букв »ДНК, таких как A и T или G и C, как настоящая ДНК, — говорит первый автор Эдди Хименес, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Кришнамурти.

«Теперь, когда мы лучше понимаем, как первобытная химия могла создать первые РНК и ДНК, мы можем начать использовать ее в смесях строительных блоков рибонуклеозида и дезоксинуклеозида, чтобы увидеть, какие химерные молекулы образуются — и могут ли они самовоспроизводиться и развиваться. , — говорит Кришнамурти.

Он отмечает, что работа может иметь широкое практическое применение. Искусственный синтез ДНК и РНК — например, в методе «ПЦР», лежащей в основе тестов на COVID-19, составляет огромный глобальный бизнес, но зависит от ферментов, которые являются относительно хрупкими и поэтому имеют множество ограничений. По словам Кришнамурти, надежные химические методы создания ДНК и РНК, не содержащие ферментов, могут оказаться более привлекательными во многих контекстах.