Технологии и наука
Исследование показало, что гидроксильная группа в рибозе способствует формированию конденсатов РНК при более низких температурах, чем у ДНК.

Различие в один атом кислорода между молекулами РНК и ДНК может играть ключевую роль в процессах, предшествовавших возникновению клеточной жизни. Ученые установили, что эта структурная особенность позволяет РНК значительно легче собираться в плотные жидкоподобные капли по сравнению с аналогичными цепями ДНК. Данные структуры способны трансформироваться в взаимосвязанные гелеобразные сети.
Современные клетки окружены мембраной, которая изолирует внутреннюю химию от внешней среды и обеспечивает эффективное протекание реакций. Без такой границы существование клетки невозможно. Исследователи происхождения жизни сталкиваются с парадоксом: как организовывались биохимические процессы до появления мембранных структур?
Гипотеза «мира РНК» предполагает, что этот тип нуклеиновых кислот выполнял центральную функцию до того, как ДНК и белки взяли на себя современные задачи. РНК способна хранить генетическую информацию и катализировать химические реакции. Однако одиночные молекулы РНК в водной среде имели бы мало шансов для регулярных взаимодействий, необходимых для сложных процессов. Кроме того, РНК химически менее стабильна, чем ДНК.
Одним из возможных решений проблемы является фазовое разделение — процесс, аналогичный отделению масла от воды. Биомолекулы могут образовывать плотные капли внутри более разбавленного раствора, создавая так называемые биомолекулярные конденсаты. В отличие от клеток, таким структурам не требуется внешняя мембрана. Современные клетки активно используют конденсаты, и предполагается, что их простые версии могли помогать организовывать химию на ранней Земле.
В 2023 году команда под руководством физика Прии Банерджи из Университета Буффало продемонстрировала, что некоторые виды РНК самостоятельно образуют капли при нагревании в растворах с ионами магния. Это явление противоречит обычной логике смешивания при нагреве: выше определенной температуры молекулы отделялись от раствора и уплотнялись.
Новое исследование выявило причину высокой склонности РНК к такому поведению. Сравнение с одноцепочечной ДНК, имеющей практически идентичную последовательность, показало, что различие кроется в составе сахара. РНК содержит рибозу с гидроксильной группой (кислород и водород) на втором атоме углерода, обозначаемой как 2′-OH. В ДНК на этом месте находится только атом водорода.
При экспериментальных условиях цепи РНК начинали формировать конденсаты примерно на 10 градусов Цельсия ниже, чем соответствующие цепи ДНК. Использование микроскопии, рентгеновских измерений и молекулярного моделирования позволило установить, что группа 2′-OH меняет взаимодействие РНК с водой и магнием. При повышении температуры РНК легче теряет окружающую воду, после чего ионы магния способствуют сближению цепей и образованию плотных капель или гелей.
«Эти результаты впервые показывают, как крайне малые изменения в химии молекул могут контролировать возникновение гораздо более крупных самоорганизованных биомолекулярных структур, таких как конденсаты РНК», — заявила Прия Банерджи в пресс-релизе Университета Буффало. Первый автор исследования Гейбл Уодсворт отметил, что единственная кислородсодержащая группа оказывает мощное влияние на то, остаются ли молекулы динамичными или превращаются в гелеобразный материал.



