Кислородный атом в РНК объясняет механизмы зарождения жизни

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.

Проблема концентрации до появления мембран

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.

Фазовое разделение как механизм организации

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.

Роль гидроксильной группы 2′-OH

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.

Экспериментальные данные и выводы

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.