Третья часть серии из трех статей об истории исследований происхождения жизни.
Неуловимая самовоспроизводящаяся молекула РНК, которую ищут уже более трех десятилетий, может быть примером того, что называется автокаталитической реакцией.
В химии катализатор - это молекула, которая значительно увеличивает скорость протекания реакции, не расходуясь при этом. Многие белки действуют как катализаторы. Например, некоторые химические реакции, необходимые для производства и поддержания живого организма, могут занять тысячи лет сами по себе. Но с соответствующим белком в качестве катализатора они могут произойти всего за несколько минут или даже быстрее.
После того, как было обнаружено, что некоторые молекулы РНК могут действовать как катализаторы, подобно белкам, было высказано предположение, что жизнь началась с самореплицирующейся РНК, т.е. молекулы РНК, которая катализирует собственное образование (отсюда авто каталитические, или самокатализирующиеся). Это привело к гипотезе мира РНК, как описано в предыдущей части этой серии.
В химии существует несколько примеров автокаталитических реакций. Но в начале 1970-х годов молодой американский ученый по имени Стюарт Кауфман предположил, что жизнь, вероятно, не началась с отдельных самовоспроизводящихся молекул. В статье 1971 года в Journal of Cybernetics Кауфман утверждает:
“Репликация - это свойство сложной динамической системы, а не отдельной молекулы. Говоря более фундаментально, самовоспроизведение - это автокаталитический процесс, в котором набор молекул катализирует образование почти идентичного второго набора. Никакой молекуле не нужно катализировать собственное образование.”
Содержимое недоступно
Стюарт Кауфман
Итак, вместо одной молекулы, которая катализирует собственную репликацию, Кауфман выступает за набор молекул, которые катализируют образование друг друга. Такой взаимокаталитический набор молекул он назвал автокаталитическим набором.
Интересно, что в том же году лауреат Нобелевской премии Манфред Эйген опубликовал статью, в которой он придерживается почти той же идеи, но затем быстро отвергает ее. Не потому, что он считал слишком маловероятным появление такого набора в пребиотической химии, а потому, что он утверждал, что такой набор не сможет развиваться и становиться более сложным. Другими словами, даже если он возникнет, он не сможет привести к реальным живым и развивающимся системам.
Кауфман не возвращался к своей первоначальной идее до 1986 года, 15 лет спустя, когда он опубликовал статью в Journal of Theoretical Biology с гораздо более подробным объяснением. В этой статье он представляет конкретную математическую модель сетей химических реакций. Затем, используя известный теоретический результат венгерских математиков Эрдёша и Реньи, Кауфман утверждает, что появление автокаталитических множеств в его модели неизбежно, учитывая достаточно большое разнообразие типов молекул.
Содержимое недоступно
Пример автокаталитического набора. Молекулы представлены последовательностями строительных блоков «а» и «б». Эти последовательности могут быть объединены в более длинные или разделены на более короткие посредством химических реакций, представленных черными точками. Пунктирные стрелки указывают, какие молекулы катализируют какие реакции.
Это утверждение было подтверждено в том же году с помощью компьютерного моделирования, выполненного физиками Дойном Фармером и Норманом Паккардом. В своей совместной статье, сообщающей об этих результатах, Фармер, Кауфман и Паккард включают диаграмму, иллюстрирующую автокаталитический набор, возникающий из их модели.
В последующие годы аналогичные результаты были получены независимо несколькими другими исследователями, использующими аналогичные модели сетей химических реакций. Все эти модели показали, что автокаталитические комплексы действительно образуются довольно легко, не требуя очень высокого уровня катализа. Например, в исходной модели Кауфмана каждая молекула должна катализировать в среднем не более двух реакций, чтобы иметь высокую вероятность существования автокаталитических наборов. Как известно из реальной химии, существует множество молекул, которые могут катализировать более одной реакции.
Автокаталитическая эволюция
Из некоторых из этих моделей и симуляций также следует, что автокаталитические системы действительно могут развиваться и становиться более сложными, несмотря на раннюю критику Эйгена. Это убедительно показала группа исследователей во главе с биологом-эволюционистом Эорсом Сатмари, в которую также входил Кауфман. И здесь аналогичные результаты впоследствии были получены другими исследователями.
Все эти результаты основаны на математических моделях и компьютерном моделировании сетей химических реакций. Однако автокаталитические установки также были созданы экспериментально с реальными молекулами. Первый такой образец был изготовлен в 1994 году в лаборатории Гюнтера фон Кедровски в Германии. После этого достижения Кауфман и фон Кедровски выпили бутылку шампанского.
Содержимое недоступно
Белки складываются в сложные трехмерные структуры, определяемые их линейной последовательностью аминокислот. Затем эта структура определяет их функцию, например, какие химические реакции они могут катализировать.
Совсем недавно были экспериментально сконструированы автокаталитические наборы, содержащие до 16 каталитических молекул РНК, так называемых рибозимов. Кроме того, на основе точных теоретических расчетов был получен экспериментальный автокаталитический набор, состоящий из девяти коротких белков (или пептидов).
Эти экспериментальные примеры, хотя и являются важным доказательством принципа, были тщательно спроектированы и построены в контролируемых лабораторных условиях. Однако было также показано, что метаболические сети реальных живых организмов содержат автокаталитические наборы. Метаболическая сеть - это набор химических реакций, происходящих внутри организма для превращения пищи и внешней энергии в основные строительные блоки (такие как нуклеотиды, аминокислоты и липиды), из которых формируются молекулы, необходимые для роста, поддержания и размножения.
Метаболическая сеть Escherichia coli (или для краткости E. coli) является одной из наиболее изученных среди всех организмов. Кишечная палочка - это бактерия, которая живет в вашем кишечнике, вырабатывает витамин К и помогает бороться с другими вредными бактериями. В 2015 году молекулярные биологи Филипа Соуза и Билл Мартин показали, что метаболическая сеть кишечной палочки содержит большой автокаталитический набор.
Совсем недавно Джоана Ксавьер и Мартин показали, что метаболические сети более примитивных микробов также содержат автокаталитические наборы. Эти конкретные микробы живут на простейшем известном источнике углерода и энергии, и предполагается, что они похожи на некоторые из самых ранних живых организмов вскоре после возникновения жизни.
Совершенно другой сценарий
Что наиболее поразительно в автокаталитических наборах в этих метаболических сетях, так это то, что им не нужны белки или РНК в качестве катализаторов. Вместо этого они используют встречающиеся в природе элементы, такие как металлы (железо, цинк, магний и т. д.) или другие небольшие молекулы, производимые самой сетью. Однако эти «примитивные» автокаталитические наборы действительно производят некоторые нуклеотиды и аминокислоты, основные строительные блоки для РНК и белков. Интересно, что эти микробные автокаталитические наборы также совместимы с химией гидротермальных источников.
Эта большая коллекция теоретических и экспериментальных результатов по автокаталитическим установкам начинает предлагать совершенно другой сценарий возможного происхождения жизни, отличный от гипотезы мира РНК. Вместо того, чтобы жизнь началась с одиночных самовоспроизводящихся молекул РНК (для которых до сих пор нет экспериментальных доказательств), возможно, она началась с простых автокаталитических наборов, которые образуются довольно легко и первоначально использовали в качестве катализаторов металлы и небольшие молекулы собственного производства. Однако эти первоначальные автокаталитические наборы были способны производить основные строительные блоки для РНК и белков. Как только эти более крупные молекулы появились, они могли начать брать на себя роль первоначальных катализаторов, поскольку эти более крупные молекулы более эффективны. Это, в свою очередь, позволило бы сформировать еще другие молекулы по восходящей спирали сложности и разнообразия вплоть до первых настоящих метаболических сетей.
Содержимое недоступно
Стюарт Кауфман в день своего 78-летия (в 2017 г.); на торте был изображен автокаталитический набор.
Спустя почти 50 лет первоначальная идея автокаталитических установок прошла долгий путь. В этом году Кауфман отметит свое 80-летие, и он по-прежнему активно участвует в исследованиях происхождения жизни. За частью этой текущей работы можно следить на веб-сайте COOLscience Club (членом которого является Кауфман).
Благодаря совместным усилиям многих ученых с разным опытом давняя проблема того, как, где и когда возникла жизнь, несомненно, в конечном итоге будет решена.
И с этим мы также лучше поймем, что такое жизнь, насколько вероятно, что она могла возникнуть (или все еще может возникнуть) в другом месте, и можем ли мы ожидать, что она будет очень похоже или совершенно отличается от жизни на Земле.
Это, безусловно, даст более информированное представление о нашем собственном месте во вселенной и среди любой другой жизни, которая может быть там.
Вим Хордейк (@WanderingWim) описывает себя как «ученого-компьютерщика по образованию, эволюциониста по исторической случайности, академика вопреки здравому смыслу и профессионального странника по своему выбору.«Больше всего его интересует стык вычислений и биологии, особенно с акцентом на возникновение, эволюцию и происхождение жизни.