Во-первых, непонятно, как синтезировались нуклеотиды. Непонятно, как эти нуклеотиды соединялись друг с другом, как образовывались олигонуклеотиды. И, наконец, очень важная проблема: непонятно, откуда бралась энергия. Дело в том, чтобы такая система устойчиво работала, необходимо постоянное поступление энергии. Потому что даже если у вас случайно в какой-то момент синтезировался олигонуклеотид, но если у вас нет механизма подачи энергии, то вы не можете такую реакцию повторять многократно. Поэтому существует проблема нуклеотического цикла. Сразу скажу, что чётких ответов на эти вопросы нет. Хотя некоторые недавние работы, проведённые в Институте белка Александром Четвериным, как раз дают, по крайней мере, ответ на вопрос: как могли бы образовываться длинные полинуклеотиды и как они могли эволюционировать.
Четверин показал, что существует спонтанная реакция – рекомбинация. То есть в растворе молекулы РНК могут обмениваться своими участками. И в результате они могут удлиняться. И вот это, в принципе, объясняет, как могли бы образовываться длинные молекулы РНК. И, кроме того, из-за того, что молекулы РНК могут постоянно спонтанно обмениваться своими участками, также можно объяснить, как могли возникнуть разные варианты РНК. То есть, как могла возникнуть не просто информация, а полезная информация, но с продолжением.
Конечно, здесь надо допустить, что был какой-то механизм селекции, отбора таких молекул. По крайней мере, можно сейчас себе представить, что, в принципе, могли как-то абиогенно образоваться нуклеотиды, они могли собираться в более длинные нуклеотиды. И такие нуклеотиды могли эволюционировать.
Другое интересное открытие тоже было сделано лабораторией Четверина. Было показано, что РНК могут образовывать колонии. Вот также как микробиологи выращивают колонии бактерий, то точно также можно вырастить колонии РНК. Можно из одной молекулы РНК вырастить с помощью фермента, который будет считывать копии этой молекулы РНК, целую колонию РНК. Более того, поскольку сейчас уже известно, что таким ферментом может являться сама РНК, то можно вполне себе представить, что могут расти колонии РНК, катализируемые самими РНК. Это изображено на следующей картинке.
А.Г. Получается замкнутый цикл.
А.Р. Да. К сожалению, пока ещё не показано, что можно выращивать колонии РНК с помощью только РНК. Но, по крайней мере, показано, что это можно делать с помощью белкового фермента. Но принципиально никакого запрета нет. И, таким образом, мы уже получаем что-то очень похожее на живую систему. То есть, мы получаем сложные молекулы, которые могут расти в виде колоний. И на самом деле, как предполагает Спирин, поскольку РНК обладает самыми разными функциями, то могли возникать такие смешанные колонии из разных РНК с различными функциями, которые, в принципе обладают всеми основными атрибутами живого. То есть, они обладают метаболизмом и, благодаря тому, что они могут сами себя воспроизводить, здесь возможна эволюция и наследование каких-то новых признаков.
А.Г. Но в такой довольно замкнутой системе, где РНК самопроизводится, да ещё являясь ферментом, с трудом можно представить себе механизм эволюции.
А.Р. Да, давайте посмотрим на следующую картинку. Это как раз, вы знаете, очень интересный вопрос, потому что действительно непонятно, как в такой системе возникнет разнообразие. И вот здесь, пожалуй, центральная идея в концепции Спирина заключается в следующем. Конечно, если мы возьмём отдельную колонию или даже группу колоний, то трудно себе представить, чтобы из этого возникло что-то новое даже на протяжении миллионов лет.
Хотя – если допустить, что такие колонии существовали в масштабе всей Земли, то есть эта идея похожа на…
А.Г. Коацерватный бульон?
А.Р. Нет, это даже более радикальная идея. То есть, если у вас существовали так называемые лужи или лагуны, или какие-то небольшие озерца, в которых были молекулы РНК, и всё это происходило в масштабе всей планеты, то вполне можно допустить, что чередование высыхания таких водоёмов и потом последующего заполнения водой, могло приводить к тому, что у вас чередовались циклы селекции и циклы воспроизведения этих молекул РНК.
Когда эти молекулы находились в растворе, это сообщество РНК себя воспроизводило. Когда же эти озерца высыхали, то на их влажной поверхности образовывалась колония РНК – те самые колонии, которые открыл Четверин. И эти колонии могли как-то между собой конкурировать, тут возникал некий отбор и потом, когда снова эти лагуны заполнялись водой, то уже эти отобранные колонии начинали воспроизводиться. То есть здесь идея такая, что существовали сообщества РНК, в которых происходил постоянный обмен информацией. И здесь на самом деле эволюция могла идти довольно быстро. Потому что, как мы теперь знаем, существует спонтанная рекомбинация РНК. То есть, отдельные молекулы РНК могут обмениваться частями, они могут воспроизводиться. То есть, оказывается, что в мире РНК возможны очень сложные преобразования, которые вообще уже выглядят как живой организм. Хотя, конечно, здесь всё очень неточно. Поэтому упорядоченную эволюцию в такой системе представить сложно. Но, тем не менее, можно представить.
Да, но зато какое преимущество у такой системы. Здесь существует непрерывный обмен генетическим материалом и обмен информацией, и в принципе, здесь довольно быстро могли возникнуть какие-то совершенно новые функции.
А.Г. Однако здесь столько много белых пятен, что сейчас трудно даже представить себе… Ну, хорошо. Предположим, что колония РНК живёт и побеждает. Есть обмен информацией, есть отбор более ценной информации, есть обмен уже отобранной информации. Тогда зачем, на каком этапе, с какой целью появляется ДНК?
А.Р. Это на самом деле, вопрос несложный. Гораздо более сложный вопрос – это понять, как из таких сообществ РНК могли возникнуть клетки. И, конечно, надо понять, каким образом в этих колониях РНК появился синтез белка.
Но одно сейчас очевидно, что действительно на каком-то этапе существовал мир РНК. Потому что это не теоретические рассуждения, это действительно видно из всей молекулярной биологии. Во-первых, оказалось, что рибосома, основная молекулярная машина, которая, собственно, синтезирует белок, состоит в основном из РНК. В рибосоме РНК играет не только структурную роль, но и функциональную роль. То есть, сейчас уже очевидно, что главная каталитическая функция рибосомы – катализ синтеза полипептида – выполняется исключительно РНК. То есть, белки в рибосоме выполняют вспомогательную роль. И существует ряд других указаний на то, что на самом деле более древними молекулами являются РНК, а не белки.
Теория Спирина о сообществах РНК и этом «солярисе» очень хорошо соответствует современным представлениям о том, как выглядел предшественник всех живых организмов. Сейчас можно изучать эволюцию нуклеотидных и белковых последовательностей и, сравнивая последовательность одних и тех же белков в разных организмах, построить эволюционное дерево. То есть, выяснить, кто от кого произошёл. И, в частности, для этого использовались обычно очень консервативные последовательности.
Например, последовательности рибосомных РНК. Потому что рибосомы и рибосомная РНК есть во всех организмах и все эти рибосомные РНК похожи. Но всё-таки они немножко отличаются.
Есть такой учёный Карл Вуз в Америке, который когда-то просто стал сравнивать последовательности разных РНК. В то время считалось, что есть бактерии, и есть эукариоты. То есть, все остальные животные, растения, грибы. И когда он стал изучать последовательности разных бактерий и эукариот, то оказалось, что существуют не две ветви у этого дерева, а три ветви. То есть, среди бактерий оказались такие бактерии, которые отстоят эволюционно также далеко от других бактерий, как эукариоты. И таким образом, были открыты архебактерии.
И вот недавно Карл Вуз задался вопросом, как выглядела самая первая клетка. Потому что, в принципе, по этому эволюционному дереву можно примерно представить себе, кто появился раньше – бактерии или эукариоты. Оказалось, что это очень сложно. И вот, анализируя различные данные, Вуз пришёл к выводу, что первый организм не являлся клеткой. Что это, скорее то, что он назвал прогенотом или протоорганизмом, очень похожим на спиринский «солярис» сообщества РНК. То есть, это сообщество макромолекулярных комплексов, которые могут сами себя воспроизводить, хотя делают это очень неточно. И могут обмениваться генетической информацией. И согласно Вузу, и согласно Спирину, клетки возникли именно из такого сообщества.
А.Г. Всё-таки, в чем принципиальное различие существования клетки, как организма, и колонии РНК в этом «солярисе», как вы его называете?
А.Р. Конечно, в клетках будет и классический дарвиновский отбор. Потому что, если в клетке возник какой-то новый признак, который закреплён в генах, он будет отбираться и наследоваться. В этих колониях такого жесткого наследования нет. Там если что-то возникло, оно может и потеряться. Но зато за счёт вот этого горизонтального переноса генетической информации…
А.Г. Будет большое количество комбинаций.
А.Р. Да, большое количество комбинаций может возникнуть за достаточно короткое историческое время. А мы теперь знаем, что жизнь возникла довольно быстро. То есть, если Земля возникла примерно четыре миллиарда лет назад, то жизнь явно уже существовала три с половиной миллиарда лет назад. То есть, жизнь возникла за 500 миллионов лет. Поэтому идея «соляриса» РНК на самом деле хорошо объясняет, как могла быстро возникнуть жизнь.
А.Г. Предположим, что РНК-мир, который ещё пока не нуждается ни в РНК, ни в собственно белке, существовал энное количество миллионов лет. После этого произошло нечто, что заставило белок, эту колонию, синтезировать белок, образовать клетку, пошла эволюция клетки. Стала необходимой уже не спонтанная передача генетической информации, а достаточно точная. И вот появляется на сцене ДНК. Откуда она появляется и как?
А.Р. Вот этого я тоже не могу вам сказать – откуда она появляется и как – но она возникла, несомненно, из РНК. И, кстати, есть много указаний на то, что ДНК вторична.
А.Г. Ну, хорошо. Опять вопрос может быть не к вам, а к Господу Богу. Если ДНК возникло из РНК, то почему РНК (передав ДНК функции, то есть выстроив ДНК в достаточно жёсткой функциональной схеме) осталась? Почему ДНК, возникнув, не взяла на себя все функции РНК, в том числе и производство белков?
А.Р. ДНК не совсем удобна для выполнения каких-то структурных функций, чтобы создавать какие-то уникальные структуры. Для этого РНК гораздо лучше приспособлена. И уж совсем ДНК не может выполнять ферментативные функции, потому что опять же для того, чтобы были ферментативные функции, нужна способность создавать уникальные сложные структуры со сложной поверхностью и какими-то специфическими участками. То есть, что умеют делать белки и РНК, но не ДНК. РНК осталась, потому что как раз эти функции нельзя было передать ДНК.
Другое дело, что многие ферментативные функции можно передать белкам. И действительно мы видим, что основная масса ферментов – это белки. Но, тем не менее, РНК сохраняется. И, кстати, вот ещё одно интересное, совсем недавнее свидетельство того, что РНК-мир не исчез, что он в нас присутствует.
Секвенирование геномов, то есть определение последовательности ДНК у разных организмов, привело к ряду интересных наблюдений. Во-первых, когда секвенировали геном мыши в прошлом году, в нём, как и у человека, нашли между тридцатью и сорока тысячами белковых генов. Но оказалось, что существует больше десяти тысяч генов, которые кодируют РНК, которые никогда в белок не превращаются, не транслируются в белок. То есть, многие из этих РНК оказались эволюционно консервативными. Оказалось, что они есть и у человека, и у крысы. То есть у нас, у млекопитающих, у людей существует целый мир РНК, о котором мы ничего не знаем. Возможно, это какие-то рибозимы, возможно они играют ещё какую-то роль, но, оказывается, существуют тысячи молекул РНК, функции которых мы не знаем. Так что внутри нас существует целый мир РНК, который мы только начинаем изучать.
А.Г. Для экспериментального подтверждения этой теории, кроме миллионов лет, что необходимо? Наверняка возможно создать такие условия, когда фактор времени будет не столь важным? Каким-то образом катализировать этот процесс?
А.Р. Да, здесь, на мой взгляд, есть ряд вполне реальных экспериментов. Например, можно попытаться создать такой рибозим, такой фермент, который бы состоял из РНК и который мог бы синтезировать новые молекулы РНК. То есть, научиться выращивать колонии РНК, не используя белки. Вот если бы это удалось, это был бы…
А.Г. Замкнутый цикл.
А.Р. Да. Это было бы очень серьёзным доказательством существования РНК-мира.
А.Г. Тогда, может быть, сделать вот что… Мы не так давно говорили о космических экспедициях в поисках жизни – может быть, искать не готовые образцы жизни в виде клеток и так далее. Может быть искать те самые колонии РНК, которые могут существовать на спутниках Юпитера или Марсе?
А.Р. Конечно, такие работы ведутся. Ищут не только готовые формы жизни, не только клетки, а вообще любые биологические молекулы. Поэтому изучаются метеориты…
А.Г. От первых РНК, к РНК, которые мы носим в себе. Вы сказали, что целый мир РНК существует и в нас, и в других животных, и в растениях. А какую роль, помимо установленной роли переносчика информации с ДНК и синтезирования белков, они ещё могут играть в нашем организме?
А.Р. Несомненно, часть этих РНК участвуют в каталитических процессах, то есть являются рибозимами – таких немного. РНК входит в состав целого ряда ферментов, важных ферментов. Например, есть РНК, который входит в состав фермента теломераза. Это фермент, который участвует в поддержании целостности концов хромосом. РНК входит в состав частиц, ответственных за транспорт белков, которые производятся на экспорт. Функции самые разнообразные…
А.Г. А чем вы занимаетесь сейчас и как РНК связано с этим?
А.Р. Здесь я могу сказать вот что. Если вы помните, когда мы с вами обсуждали, что же главное в старении, мы говорили, что очень важно воспроизводство белков, обновление белков. И вот в геронтологии многие обсуждают – что же более важно? Скажем, повреждение ДНК или повреждение белков в старении? И вот совсем недавно, несколько месяцев назад мы обнаружили совершенно неожиданную вещь. Оказалось, что ключевым в старении, по крайней мере для нематод, является повреждение РНК.
А.Г. А как происходит повреждение РНК?
А.Р. Мы ещё не знаем, но на самом деле в процессе старения у нематод происходит массивное повреждение РНК, которое гораздо сильнее, чем повреждение белка или повреждение ДНК.
А.Г. То есть, РНК – это всё-таки основа.
А.Р. Да, оказывается РНК – основа основ. Конечно, мы не знаем – так ли это для человека, но, по крайней мере, мы теперь точно знаем, что…
А.Г. …для нематод это так. Но это совсем свежие эксперименты, буквально сегодняшнего дня. А дальше логика развития этих экспериментов какая?
А.Р. Естественно, будем выявлять конкретный механизм: почему это происходит и можно ли это предотвратить?..
Асимметрия и возникновение жизни
Участники:
Аветисов Владик Аванесович – доктор физико-математических наук.
Костяновский Рэм Григорьевич – доктор химических наук.
Александр Гордон: Доброй ночи! Опять и опять об одной из самых интригующих, волнующих и неразрешимых тем пока – происхождении жизни, но на сей раз-то с другой немножко точки зрения, чем это было прежде в наших передачах. Сегодня мы поговорим о том, что такое симметрия в живом и неживом, и почему её нарушение может привести к тому, что мы называем «феноменом жизни»? Правильно я всё сказал?
Владик Аветисов: Да, конечно.
А.Г. Итак, пожалуйста, кто начнёт?
Рэм Костяновский: Начнём с общеизвестной талидомидной трагедии, потому что финал этой страшной истории, видимо, мало кому известен.
С 1957 года по 1962 год во многих странах Западной Европы, Канады, Бразилии, Японии и Австралии родились десятки тысяч детей с пороками развития костных тканей, вплоть до полного их отсутствия. Тщательное расследование причин привело к препарату одной немецкой фирмы, который широко распространился в мире и использовался беременными женщинами как успокоительное и мягкое снотворное. Но лишь 17 лет спустя удалось показать, что дело было в действующем начале этого препарата: имиде талоилглютаминовой кислоты, в хиральном соединении, которое было разделено на энантиамеры, на зеркальные антиподы. Испытание этих антиподов показало, что только левый антипод вызывает эти страшные уродства, тогда как правый является совершенно безопасным лекарственным средством. Многие органические соединения, хиральные органические соединения подобного типа, энантиамеры этих соединений, скажем, душистые вещества, обладают совершенно различным запахом и разным вкусом. Это заметил ещё Пастер, когда на заседании французской Академии наук, обсуждая открытие левого и правого аспарагина, высказал идею о том, что это различие восприятия обусловлено диссимметрией живых тканей – рецепторов, с нынешних позиций. В исследованиях хиральных соединений, которые характеризуются несовместимостью со своим зеркальным отражением (это и есть зеркальные изомеры) выяснилось постепенно, что живая природа построена именно на основе этого строительного материала. То есть только одна зеркальная форма используется ею как строительный материал.
В.А. Да, это действительно одна из самых захватывающих проблем. Зеркальная симметрия, это, конечно, только один из типов симметрии, симметрий может быть много. Но факт нарушения зеркальной симметрии, пожалуй, интересовал человека всегда гораздо больше, чем факт нарушения какой-либо другой симметрии.
Давайте всё-таки обратимся к тому, в чём состоит феномен нарушенной зеркальной симметрии биоорганического мира. Что мы об этом знаем сейчас, спустя 150 лет после Пастера? Мы знаем, что очень многие органические соединения, из которых построено живое, на самом деле являются соединениями хиральными, то есть соединениями, которые могут существовать в виде двух зеркально антиподных форм. Слово «хиральность» от греческого слова «хеир» – «рука», «ручность», как две руки, левая и правая. Но ведь отразить в зеркале можно всё, что угодно. Особенность тут состоит в том, что отражённый предмет невозможно совместить с исходным. Вот если вы не можете отражённый в зеркале предмет совместить с исходным, вот такой объект называется хиральным. Если можете, то он ахиральный.
А.Г. А что значит «совместить» в данном случае?
В.А. Это означает, как сказал лорд Кельвин, определяя хиральность, совместить путём непрерывного перемещения в пространстве.
Р.К. До полного слияния.
В.А. Да, совершить полное слияние. Итак, мы знаем, что многие биоорганические соединения хиральны. Это первое. Второе. Мы видим и знаем, что из двух возможных зеркальных антиподов этих хиральных соединений в живой природе, в структуре клеток используется только один. И пример с талидомидом как раз говорит о том, насколько опасно использовать другой.
Что мы ещё знаем? Мы знаем, что на самом деле у нас нет единообразия в зеркальных изомерах каких-то веществ – в целом. Например, если мы возьмём какое-либо соединение в клетке одного организма, то в клетке другого организма, микроба, например, это соединение может быть в другой форме. Но оно обязательно будет в определённой форме. Но что мы знаем, так это то, что все аминокислоты, которые входят в состав функциональных белков, это только левые аминокислоты. Таким образом, белок – это есть полимерная такая цепочка, сделанная только и только из левых аминокислот. По крайней мере, мы не обнаружили ни одного функционального белка, в котором была бы хотя бы одна правая аминокислота.
Полипептиды с правыми аминокислотами есть, например, нейропептиды и так далее, но это не функциональные белки. То есть организмы используют противоположную аминокислоту для строения, для разных функций. Но белки собраны только из левых аминокислот. Поразительным является ещё тот факт, что РНК и ДНК собраны только из правых сахаров. При этом надо заметить, что левые аминокислоты и правые сахара – это не есть зеркальные антиподы. Так просто сложилось, что одни стали называть левыми, а другие стали называть правыми, вот, собственно, и всё.
Таким образом, получается, что, во-первых, у нас эти цепочки самых важных молекул в жизни – белков и аминокислот – собраны только из кирпичиков одного типа хиральности. Это называется свойством гомохиральности, гомохиральные полимеры. И, во-вторых, мы нигде не встречали каких-либо признаков жизни с противоположным строением. То есть, мы нигде не встречали белки, пусть гомохиральные, но собранные из правых аминокислот. Или РНК, или ДНК, тоже пусть гомохиральные, но собранные из левых сахаров.
Почему это должно поражать наше воображение? Потому что есть всё-таки какие-то фундаментальные законы и фундаментальные представления, которыми мы пользуемся в обычной жизни. А эти представления говорят буквально о следующем. Что ответственным за все химические превращения является электромагнитное взаимодействие. А электромагнитное взаимодействие сохраняет зеркальную симметрию. Именно поэтому зеркальные антиподы – левая и правая молекула – в химических реакциях проявляет себя одинаково. Спрашивается, каким же образом в мире, который управляется симметричными силами или симметричными взаимодействиями, могло возникнуть полное нарушение симметрии? Вот это и есть та загадка, над которой бьётся уже, по крайней мере, 150 лет множество учёных.
Конечно, для того чтобы поговорить об этом, о том, каковы взгляды на эту проблему, мы должны перейти (если мы говорим об эволюционном аспекте этой проблемы) к некоему эволюционному сценарию. На самом деле, сейчас не так важно для нас, каков конкретный сценарий. Мы понимаем, что как бы мы ни рассматривали эволюцию Вселенной или эволюцию на Земле, у нас, безусловно, возникает некий химический мир. А раз возникает химический мир, то он должен быть симметричным. Предположим, что у нас есть некий этап, на котором возник симметричный химический мир. Пусть далее в результате каких-то причин этот симметричный мир оказался асимметричным, то есть произошло нарушение симметрии. И возник какой-то асимметричный, но тоже химический мир. И пусть далее в этом уже асимметричном химическом мире каким-то образом (каким, пока мы не знаем) возникли сложные структуры, похожие на белки РНК и ДНК, и зародилась жизнь. Тогда, если мы представляем себе такую логику развития событий, мы должны задать, по крайней мере, два вопроса. Вопрос первый: а возможно ли нарушение зеркальной симметрии в ходе естественных природных процессов? И вопрос второй: а возможна ли сборка сложных структур, пусть даже в асимметричном хиральном мире? Вот об этих двух вопросах – с точки зрения хиральной упорядоченности и хиральной специфики живого материала – мы и поговорим.
Первый вопрос, понятно, это вопрос о химии. И поэтому, я думаю, здесь никто лучше Рэма Костяновского этот вопрос не прокомментирует. Какова история развития этого вопроса?
Р.К. Он восходит к Пастеру. Луи Пастер, будучи молодым учёным, 25 лет от роду, сделал фундаментальное открытие, о котором я сейчас расскажу. Но, прежде всего, надо взглянуть на то состояние духа во Франции, в котором он воспитывался, жил и учился.
На знамёнах французской науки в то время были написаны яркие слова. Первое, что кристаллография – это наука всех наук. И интенсивно развивались идеи геометризма. То есть, что по форме кристалла можно определить форму молекул, входящих в него. Эти две идеи были впитаны им и, естественно, привели к тем открытиям, которые он сделал. Он интенсивно изучал форму оптически активных кристаллов, энантиамерно чистых веществ и рацематов, то есть эквивалентной смеси энантиамеров или антиподов, изучал свойства этих кристаллов.
Одним из объектов была винная кислота – продукт, образующийся при сбраживании виноградного сока. Соль именно этой кислоты выпадает в чанах и бочках в процессе виноделия и носит название «тартар». «Тартарик эйсид», то есть «винная кислота» происходит именно от этого слова.
В.А. То есть решалась совершенно банальная проблема виноделия – как сделать бочки чистыми.
Р.К. Великий шведский химик Шееле установил строение этого соединения – это хиральное соединение. Тогда имели лишь одну оптически активную форму. И случай способствовал тому, что на одной из маленьких винодельческих фабрик рабочий перегрел этот осадок и получил совершенно новое вещество, по составу тождественное той самой тартарной кислоте, но не обладающее характерной для неё оптической активностью. То есть это был уже рацемат («рацемус» – «виноград», отсюда «виноградная кислота»), эта рацемическая винная кислота состоит из равного количества левых и правых молекул.
Четверин показал, что существует спонтанная реакция – рекомбинация. То есть в растворе молекулы РНК могут обмениваться своими участками. И в результате они могут удлиняться. И вот это, в принципе, объясняет, как могли бы образовываться длинные молекулы РНК. И, кроме того, из-за того, что молекулы РНК могут постоянно спонтанно обмениваться своими участками, также можно объяснить, как могли возникнуть разные варианты РНК. То есть, как могла возникнуть не просто информация, а полезная информация, но с продолжением.
Конечно, здесь надо допустить, что был какой-то механизм селекции, отбора таких молекул. По крайней мере, можно сейчас себе представить, что, в принципе, могли как-то абиогенно образоваться нуклеотиды, они могли собираться в более длинные нуклеотиды. И такие нуклеотиды могли эволюционировать.
Другое интересное открытие тоже было сделано лабораторией Четверина. Было показано, что РНК могут образовывать колонии. Вот также как микробиологи выращивают колонии бактерий, то точно также можно вырастить колонии РНК. Можно из одной молекулы РНК вырастить с помощью фермента, который будет считывать копии этой молекулы РНК, целую колонию РНК. Более того, поскольку сейчас уже известно, что таким ферментом может являться сама РНК, то можно вполне себе представить, что могут расти колонии РНК, катализируемые самими РНК. Это изображено на следующей картинке.
А.Г. Получается замкнутый цикл.
А.Р. Да. К сожалению, пока ещё не показано, что можно выращивать колонии РНК с помощью только РНК. Но, по крайней мере, показано, что это можно делать с помощью белкового фермента. Но принципиально никакого запрета нет. И, таким образом, мы уже получаем что-то очень похожее на живую систему. То есть, мы получаем сложные молекулы, которые могут расти в виде колоний. И на самом деле, как предполагает Спирин, поскольку РНК обладает самыми разными функциями, то могли возникать такие смешанные колонии из разных РНК с различными функциями, которые, в принципе обладают всеми основными атрибутами живого. То есть, они обладают метаболизмом и, благодаря тому, что они могут сами себя воспроизводить, здесь возможна эволюция и наследование каких-то новых признаков.
А.Г. Но в такой довольно замкнутой системе, где РНК самопроизводится, да ещё являясь ферментом, с трудом можно представить себе механизм эволюции.
А.Р. Да, давайте посмотрим на следующую картинку. Это как раз, вы знаете, очень интересный вопрос, потому что действительно непонятно, как в такой системе возникнет разнообразие. И вот здесь, пожалуй, центральная идея в концепции Спирина заключается в следующем. Конечно, если мы возьмём отдельную колонию или даже группу колоний, то трудно себе представить, чтобы из этого возникло что-то новое даже на протяжении миллионов лет.
Хотя – если допустить, что такие колонии существовали в масштабе всей Земли, то есть эта идея похожа на…
А.Г. Коацерватный бульон?
А.Р. Нет, это даже более радикальная идея. То есть, если у вас существовали так называемые лужи или лагуны, или какие-то небольшие озерца, в которых были молекулы РНК, и всё это происходило в масштабе всей планеты, то вполне можно допустить, что чередование высыхания таких водоёмов и потом последующего заполнения водой, могло приводить к тому, что у вас чередовались циклы селекции и циклы воспроизведения этих молекул РНК.
Когда эти молекулы находились в растворе, это сообщество РНК себя воспроизводило. Когда же эти озерца высыхали, то на их влажной поверхности образовывалась колония РНК – те самые колонии, которые открыл Четверин. И эти колонии могли как-то между собой конкурировать, тут возникал некий отбор и потом, когда снова эти лагуны заполнялись водой, то уже эти отобранные колонии начинали воспроизводиться. То есть здесь идея такая, что существовали сообщества РНК, в которых происходил постоянный обмен информацией. И здесь на самом деле эволюция могла идти довольно быстро. Потому что, как мы теперь знаем, существует спонтанная рекомбинация РНК. То есть, отдельные молекулы РНК могут обмениваться частями, они могут воспроизводиться. То есть, оказывается, что в мире РНК возможны очень сложные преобразования, которые вообще уже выглядят как живой организм. Хотя, конечно, здесь всё очень неточно. Поэтому упорядоченную эволюцию в такой системе представить сложно. Но, тем не менее, можно представить.
Да, но зато какое преимущество у такой системы. Здесь существует непрерывный обмен генетическим материалом и обмен информацией, и в принципе, здесь довольно быстро могли возникнуть какие-то совершенно новые функции.
А.Г. Однако здесь столько много белых пятен, что сейчас трудно даже представить себе… Ну, хорошо. Предположим, что колония РНК живёт и побеждает. Есть обмен информацией, есть отбор более ценной информации, есть обмен уже отобранной информации. Тогда зачем, на каком этапе, с какой целью появляется ДНК?
А.Р. Это на самом деле, вопрос несложный. Гораздо более сложный вопрос – это понять, как из таких сообществ РНК могли возникнуть клетки. И, конечно, надо понять, каким образом в этих колониях РНК появился синтез белка.
Но одно сейчас очевидно, что действительно на каком-то этапе существовал мир РНК. Потому что это не теоретические рассуждения, это действительно видно из всей молекулярной биологии. Во-первых, оказалось, что рибосома, основная молекулярная машина, которая, собственно, синтезирует белок, состоит в основном из РНК. В рибосоме РНК играет не только структурную роль, но и функциональную роль. То есть, сейчас уже очевидно, что главная каталитическая функция рибосомы – катализ синтеза полипептида – выполняется исключительно РНК. То есть, белки в рибосоме выполняют вспомогательную роль. И существует ряд других указаний на то, что на самом деле более древними молекулами являются РНК, а не белки.
Теория Спирина о сообществах РНК и этом «солярисе» очень хорошо соответствует современным представлениям о том, как выглядел предшественник всех живых организмов. Сейчас можно изучать эволюцию нуклеотидных и белковых последовательностей и, сравнивая последовательность одних и тех же белков в разных организмах, построить эволюционное дерево. То есть, выяснить, кто от кого произошёл. И, в частности, для этого использовались обычно очень консервативные последовательности.
Например, последовательности рибосомных РНК. Потому что рибосомы и рибосомная РНК есть во всех организмах и все эти рибосомные РНК похожи. Но всё-таки они немножко отличаются.
Есть такой учёный Карл Вуз в Америке, который когда-то просто стал сравнивать последовательности разных РНК. В то время считалось, что есть бактерии, и есть эукариоты. То есть, все остальные животные, растения, грибы. И когда он стал изучать последовательности разных бактерий и эукариот, то оказалось, что существуют не две ветви у этого дерева, а три ветви. То есть, среди бактерий оказались такие бактерии, которые отстоят эволюционно также далеко от других бактерий, как эукариоты. И таким образом, были открыты архебактерии.
И вот недавно Карл Вуз задался вопросом, как выглядела самая первая клетка. Потому что, в принципе, по этому эволюционному дереву можно примерно представить себе, кто появился раньше – бактерии или эукариоты. Оказалось, что это очень сложно. И вот, анализируя различные данные, Вуз пришёл к выводу, что первый организм не являлся клеткой. Что это, скорее то, что он назвал прогенотом или протоорганизмом, очень похожим на спиринский «солярис» сообщества РНК. То есть, это сообщество макромолекулярных комплексов, которые могут сами себя воспроизводить, хотя делают это очень неточно. И могут обмениваться генетической информацией. И согласно Вузу, и согласно Спирину, клетки возникли именно из такого сообщества.
А.Г. Всё-таки, в чем принципиальное различие существования клетки, как организма, и колонии РНК в этом «солярисе», как вы его называете?
А.Р. Конечно, в клетках будет и классический дарвиновский отбор. Потому что, если в клетке возник какой-то новый признак, который закреплён в генах, он будет отбираться и наследоваться. В этих колониях такого жесткого наследования нет. Там если что-то возникло, оно может и потеряться. Но зато за счёт вот этого горизонтального переноса генетической информации…
А.Г. Будет большое количество комбинаций.
А.Р. Да, большое количество комбинаций может возникнуть за достаточно короткое историческое время. А мы теперь знаем, что жизнь возникла довольно быстро. То есть, если Земля возникла примерно четыре миллиарда лет назад, то жизнь явно уже существовала три с половиной миллиарда лет назад. То есть, жизнь возникла за 500 миллионов лет. Поэтому идея «соляриса» РНК на самом деле хорошо объясняет, как могла быстро возникнуть жизнь.
А.Г. Предположим, что РНК-мир, который ещё пока не нуждается ни в РНК, ни в собственно белке, существовал энное количество миллионов лет. После этого произошло нечто, что заставило белок, эту колонию, синтезировать белок, образовать клетку, пошла эволюция клетки. Стала необходимой уже не спонтанная передача генетической информации, а достаточно точная. И вот появляется на сцене ДНК. Откуда она появляется и как?
А.Р. Вот этого я тоже не могу вам сказать – откуда она появляется и как – но она возникла, несомненно, из РНК. И, кстати, есть много указаний на то, что ДНК вторична.
А.Г. Ну, хорошо. Опять вопрос может быть не к вам, а к Господу Богу. Если ДНК возникло из РНК, то почему РНК (передав ДНК функции, то есть выстроив ДНК в достаточно жёсткой функциональной схеме) осталась? Почему ДНК, возникнув, не взяла на себя все функции РНК, в том числе и производство белков?
А.Р. ДНК не совсем удобна для выполнения каких-то структурных функций, чтобы создавать какие-то уникальные структуры. Для этого РНК гораздо лучше приспособлена. И уж совсем ДНК не может выполнять ферментативные функции, потому что опять же для того, чтобы были ферментативные функции, нужна способность создавать уникальные сложные структуры со сложной поверхностью и какими-то специфическими участками. То есть, что умеют делать белки и РНК, но не ДНК. РНК осталась, потому что как раз эти функции нельзя было передать ДНК.
Другое дело, что многие ферментативные функции можно передать белкам. И действительно мы видим, что основная масса ферментов – это белки. Но, тем не менее, РНК сохраняется. И, кстати, вот ещё одно интересное, совсем недавнее свидетельство того, что РНК-мир не исчез, что он в нас присутствует.
Секвенирование геномов, то есть определение последовательности ДНК у разных организмов, привело к ряду интересных наблюдений. Во-первых, когда секвенировали геном мыши в прошлом году, в нём, как и у человека, нашли между тридцатью и сорока тысячами белковых генов. Но оказалось, что существует больше десяти тысяч генов, которые кодируют РНК, которые никогда в белок не превращаются, не транслируются в белок. То есть, многие из этих РНК оказались эволюционно консервативными. Оказалось, что они есть и у человека, и у крысы. То есть у нас, у млекопитающих, у людей существует целый мир РНК, о котором мы ничего не знаем. Возможно, это какие-то рибозимы, возможно они играют ещё какую-то роль, но, оказывается, существуют тысячи молекул РНК, функции которых мы не знаем. Так что внутри нас существует целый мир РНК, который мы только начинаем изучать.
А.Г. Для экспериментального подтверждения этой теории, кроме миллионов лет, что необходимо? Наверняка возможно создать такие условия, когда фактор времени будет не столь важным? Каким-то образом катализировать этот процесс?
А.Р. Да, здесь, на мой взгляд, есть ряд вполне реальных экспериментов. Например, можно попытаться создать такой рибозим, такой фермент, который бы состоял из РНК и который мог бы синтезировать новые молекулы РНК. То есть, научиться выращивать колонии РНК, не используя белки. Вот если бы это удалось, это был бы…
А.Г. Замкнутый цикл.
А.Р. Да. Это было бы очень серьёзным доказательством существования РНК-мира.
А.Г. Тогда, может быть, сделать вот что… Мы не так давно говорили о космических экспедициях в поисках жизни – может быть, искать не готовые образцы жизни в виде клеток и так далее. Может быть искать те самые колонии РНК, которые могут существовать на спутниках Юпитера или Марсе?
А.Р. Конечно, такие работы ведутся. Ищут не только готовые формы жизни, не только клетки, а вообще любые биологические молекулы. Поэтому изучаются метеориты…
А.Г. От первых РНК, к РНК, которые мы носим в себе. Вы сказали, что целый мир РНК существует и в нас, и в других животных, и в растениях. А какую роль, помимо установленной роли переносчика информации с ДНК и синтезирования белков, они ещё могут играть в нашем организме?
А.Р. Несомненно, часть этих РНК участвуют в каталитических процессах, то есть являются рибозимами – таких немного. РНК входит в состав целого ряда ферментов, важных ферментов. Например, есть РНК, который входит в состав фермента теломераза. Это фермент, который участвует в поддержании целостности концов хромосом. РНК входит в состав частиц, ответственных за транспорт белков, которые производятся на экспорт. Функции самые разнообразные…
А.Г. А чем вы занимаетесь сейчас и как РНК связано с этим?
А.Р. Здесь я могу сказать вот что. Если вы помните, когда мы с вами обсуждали, что же главное в старении, мы говорили, что очень важно воспроизводство белков, обновление белков. И вот в геронтологии многие обсуждают – что же более важно? Скажем, повреждение ДНК или повреждение белков в старении? И вот совсем недавно, несколько месяцев назад мы обнаружили совершенно неожиданную вещь. Оказалось, что ключевым в старении, по крайней мере для нематод, является повреждение РНК.
А.Г. А как происходит повреждение РНК?
А.Р. Мы ещё не знаем, но на самом деле в процессе старения у нематод происходит массивное повреждение РНК, которое гораздо сильнее, чем повреждение белка или повреждение ДНК.
А.Г. То есть, РНК – это всё-таки основа.
А.Р. Да, оказывается РНК – основа основ. Конечно, мы не знаем – так ли это для человека, но, по крайней мере, мы теперь точно знаем, что…
А.Г. …для нематод это так. Но это совсем свежие эксперименты, буквально сегодняшнего дня. А дальше логика развития этих экспериментов какая?
А.Р. Естественно, будем выявлять конкретный механизм: почему это происходит и можно ли это предотвратить?..
Асимметрия и возникновение жизни
20.05.03
(хр.00:52:30)
Участники:
Аветисов Владик Аванесович – доктор физико-математических наук.
Костяновский Рэм Григорьевич – доктор химических наук.
Александр Гордон: Доброй ночи! Опять и опять об одной из самых интригующих, волнующих и неразрешимых тем пока – происхождении жизни, но на сей раз-то с другой немножко точки зрения, чем это было прежде в наших передачах. Сегодня мы поговорим о том, что такое симметрия в живом и неживом, и почему её нарушение может привести к тому, что мы называем «феноменом жизни»? Правильно я всё сказал?
Владик Аветисов: Да, конечно.
А.Г. Итак, пожалуйста, кто начнёт?
Рэм Костяновский: Начнём с общеизвестной талидомидной трагедии, потому что финал этой страшной истории, видимо, мало кому известен.
С 1957 года по 1962 год во многих странах Западной Европы, Канады, Бразилии, Японии и Австралии родились десятки тысяч детей с пороками развития костных тканей, вплоть до полного их отсутствия. Тщательное расследование причин привело к препарату одной немецкой фирмы, который широко распространился в мире и использовался беременными женщинами как успокоительное и мягкое снотворное. Но лишь 17 лет спустя удалось показать, что дело было в действующем начале этого препарата: имиде талоилглютаминовой кислоты, в хиральном соединении, которое было разделено на энантиамеры, на зеркальные антиподы. Испытание этих антиподов показало, что только левый антипод вызывает эти страшные уродства, тогда как правый является совершенно безопасным лекарственным средством. Многие органические соединения, хиральные органические соединения подобного типа, энантиамеры этих соединений, скажем, душистые вещества, обладают совершенно различным запахом и разным вкусом. Это заметил ещё Пастер, когда на заседании французской Академии наук, обсуждая открытие левого и правого аспарагина, высказал идею о том, что это различие восприятия обусловлено диссимметрией живых тканей – рецепторов, с нынешних позиций. В исследованиях хиральных соединений, которые характеризуются несовместимостью со своим зеркальным отражением (это и есть зеркальные изомеры) выяснилось постепенно, что живая природа построена именно на основе этого строительного материала. То есть только одна зеркальная форма используется ею как строительный материал.
В.А. Да, это действительно одна из самых захватывающих проблем. Зеркальная симметрия, это, конечно, только один из типов симметрии, симметрий может быть много. Но факт нарушения зеркальной симметрии, пожалуй, интересовал человека всегда гораздо больше, чем факт нарушения какой-либо другой симметрии.
Давайте всё-таки обратимся к тому, в чём состоит феномен нарушенной зеркальной симметрии биоорганического мира. Что мы об этом знаем сейчас, спустя 150 лет после Пастера? Мы знаем, что очень многие органические соединения, из которых построено живое, на самом деле являются соединениями хиральными, то есть соединениями, которые могут существовать в виде двух зеркально антиподных форм. Слово «хиральность» от греческого слова «хеир» – «рука», «ручность», как две руки, левая и правая. Но ведь отразить в зеркале можно всё, что угодно. Особенность тут состоит в том, что отражённый предмет невозможно совместить с исходным. Вот если вы не можете отражённый в зеркале предмет совместить с исходным, вот такой объект называется хиральным. Если можете, то он ахиральный.
А.Г. А что значит «совместить» в данном случае?
В.А. Это означает, как сказал лорд Кельвин, определяя хиральность, совместить путём непрерывного перемещения в пространстве.
Р.К. До полного слияния.
В.А. Да, совершить полное слияние. Итак, мы знаем, что многие биоорганические соединения хиральны. Это первое. Второе. Мы видим и знаем, что из двух возможных зеркальных антиподов этих хиральных соединений в живой природе, в структуре клеток используется только один. И пример с талидомидом как раз говорит о том, насколько опасно использовать другой.
Что мы ещё знаем? Мы знаем, что на самом деле у нас нет единообразия в зеркальных изомерах каких-то веществ – в целом. Например, если мы возьмём какое-либо соединение в клетке одного организма, то в клетке другого организма, микроба, например, это соединение может быть в другой форме. Но оно обязательно будет в определённой форме. Но что мы знаем, так это то, что все аминокислоты, которые входят в состав функциональных белков, это только левые аминокислоты. Таким образом, белок – это есть полимерная такая цепочка, сделанная только и только из левых аминокислот. По крайней мере, мы не обнаружили ни одного функционального белка, в котором была бы хотя бы одна правая аминокислота.
Полипептиды с правыми аминокислотами есть, например, нейропептиды и так далее, но это не функциональные белки. То есть организмы используют противоположную аминокислоту для строения, для разных функций. Но белки собраны только из левых аминокислот. Поразительным является ещё тот факт, что РНК и ДНК собраны только из правых сахаров. При этом надо заметить, что левые аминокислоты и правые сахара – это не есть зеркальные антиподы. Так просто сложилось, что одни стали называть левыми, а другие стали называть правыми, вот, собственно, и всё.
Таким образом, получается, что, во-первых, у нас эти цепочки самых важных молекул в жизни – белков и аминокислот – собраны только из кирпичиков одного типа хиральности. Это называется свойством гомохиральности, гомохиральные полимеры. И, во-вторых, мы нигде не встречали каких-либо признаков жизни с противоположным строением. То есть, мы нигде не встречали белки, пусть гомохиральные, но собранные из правых аминокислот. Или РНК, или ДНК, тоже пусть гомохиральные, но собранные из левых сахаров.
Почему это должно поражать наше воображение? Потому что есть всё-таки какие-то фундаментальные законы и фундаментальные представления, которыми мы пользуемся в обычной жизни. А эти представления говорят буквально о следующем. Что ответственным за все химические превращения является электромагнитное взаимодействие. А электромагнитное взаимодействие сохраняет зеркальную симметрию. Именно поэтому зеркальные антиподы – левая и правая молекула – в химических реакциях проявляет себя одинаково. Спрашивается, каким же образом в мире, который управляется симметричными силами или симметричными взаимодействиями, могло возникнуть полное нарушение симметрии? Вот это и есть та загадка, над которой бьётся уже, по крайней мере, 150 лет множество учёных.
Конечно, для того чтобы поговорить об этом, о том, каковы взгляды на эту проблему, мы должны перейти (если мы говорим об эволюционном аспекте этой проблемы) к некоему эволюционному сценарию. На самом деле, сейчас не так важно для нас, каков конкретный сценарий. Мы понимаем, что как бы мы ни рассматривали эволюцию Вселенной или эволюцию на Земле, у нас, безусловно, возникает некий химический мир. А раз возникает химический мир, то он должен быть симметричным. Предположим, что у нас есть некий этап, на котором возник симметричный химический мир. Пусть далее в результате каких-то причин этот симметричный мир оказался асимметричным, то есть произошло нарушение симметрии. И возник какой-то асимметричный, но тоже химический мир. И пусть далее в этом уже асимметричном химическом мире каким-то образом (каким, пока мы не знаем) возникли сложные структуры, похожие на белки РНК и ДНК, и зародилась жизнь. Тогда, если мы представляем себе такую логику развития событий, мы должны задать, по крайней мере, два вопроса. Вопрос первый: а возможно ли нарушение зеркальной симметрии в ходе естественных природных процессов? И вопрос второй: а возможна ли сборка сложных структур, пусть даже в асимметричном хиральном мире? Вот об этих двух вопросах – с точки зрения хиральной упорядоченности и хиральной специфики живого материала – мы и поговорим.
Первый вопрос, понятно, это вопрос о химии. И поэтому, я думаю, здесь никто лучше Рэма Костяновского этот вопрос не прокомментирует. Какова история развития этого вопроса?
Р.К. Он восходит к Пастеру. Луи Пастер, будучи молодым учёным, 25 лет от роду, сделал фундаментальное открытие, о котором я сейчас расскажу. Но, прежде всего, надо взглянуть на то состояние духа во Франции, в котором он воспитывался, жил и учился.
На знамёнах французской науки в то время были написаны яркие слова. Первое, что кристаллография – это наука всех наук. И интенсивно развивались идеи геометризма. То есть, что по форме кристалла можно определить форму молекул, входящих в него. Эти две идеи были впитаны им и, естественно, привели к тем открытиям, которые он сделал. Он интенсивно изучал форму оптически активных кристаллов, энантиамерно чистых веществ и рацематов, то есть эквивалентной смеси энантиамеров или антиподов, изучал свойства этих кристаллов.
Одним из объектов была винная кислота – продукт, образующийся при сбраживании виноградного сока. Соль именно этой кислоты выпадает в чанах и бочках в процессе виноделия и носит название «тартар». «Тартарик эйсид», то есть «винная кислота» происходит именно от этого слова.
В.А. То есть решалась совершенно банальная проблема виноделия – как сделать бочки чистыми.
Р.К. Великий шведский химик Шееле установил строение этого соединения – это хиральное соединение. Тогда имели лишь одну оптически активную форму. И случай способствовал тому, что на одной из маленьких винодельческих фабрик рабочий перегрел этот осадок и получил совершенно новое вещество, по составу тождественное той самой тартарной кислоте, но не обладающее характерной для неё оптической активностью. То есть это был уже рацемат («рацемус» – «виноград», отсюда «виноградная кислота»), эта рацемическая винная кислота состоит из равного количества левых и правых молекул.