Возникновение жизни
<<  Теория антропосоциогенеза Основные теории возникновения жизни на Земле  >>
Происхождение жизни
Происхождение жизни
Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много
Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много
Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много
Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много
Если верна концепция инфляционной космологии (сверхбыстрого расширения
Если верна концепция инфляционной космологии (сверхбыстрого расширения
Чем меньше похожа истории жизни на Земле на цепочку невероятных чудес,
Чем меньше похожа истории жизни на Земле на цепочку невероятных чудес,
Этапы зарождения жизни
Этапы зарождения жизни
Положение luca на древе жизни
Положение luca на древе жизни
Историческая справка
Историческая справка
Крах теории самозарождения
Крах теории самозарождения
Ладзаро Спалланцани (1729 – 1799) обнаружил, что микробы не
Ладзаро Спалланцани (1729 – 1799) обнаружил, что микробы не
Луи Пастер (1822 – 1895)
Луи Пастер (1822 – 1895)
Абиогенез – происхождение живого из неживого естественным путем Первый
Абиогенез – происхождение живого из неживого естественным путем Первый
13,7 млрд лет назад – Большой взрыв Через 400 000 лет – атомы (водород
13,7 млрд лет назад – Большой взрыв Через 400 000 лет – атомы (водород
Распространенность элементов во Вселенной
Распространенность элементов во Вселенной
Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:
Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:
Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:
Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:
Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:
Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:
Черный и белый курильщики
Черный и белый курильщики
“Lost city” hydrothermal field (третий тип подводных вулканических
“Lost city” hydrothermal field (третий тип подводных вулканических
Ник Лейн
Ник Лейн
В моделях Вехтерсхойзера, Мулкиджаняна и Рассела много общего
В моделях Вехтерсхойзера, Мулкиджаняна и Рассела много общего
Абиогенным путем сравнительно легко (т
Абиогенным путем сравнительно легко (т
Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации
Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации
Энантиомеры (оптические изомеры) — стереоизомеры, представляющие собой
Энантиомеры (оптические изомеры) — стереоизомеры, представляющие собой
Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (2)
Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (2)
Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (3)
Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (3)
Биогеохимический круговорот
Биогеохимический круговорот
Теория РНК-мира
Теория РНК-мира
Теория РНК-мира
Теория РНК-мира
Методом искусственной эволюции легко выводятся рибозимы: лигазы
Методом искусственной эволюции легко выводятся рибозимы: лигазы
Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 1: абиогенный синтез
Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 1: абиогенный синтез
Проблема абиогенного синтеза нуклеотидов
Проблема абиогенного синтеза нуклеотидов
Гликольальдегид
Гликольальдегид
Ключевые особенности найденного способа абиогенного синтеза
Ключевые особенности найденного способа абиогенного синтеза
Продолжение исследований в этом направлении: получение хирально чистых
Продолжение исследований в этом направлении: получение хирально чистых
Аминокислоты вмешиваются в синтез Сазерленда на стадии реакции
Аминокислоты вмешиваются в синтез Сазерленда на стадии реакции
Солнечный ультрафиолет на заре «мира РНК» мог служить фактором отбора:
Солнечный ультрафиолет на заре «мира РНК» мог служить фактором отбора:
Путь абиогенного синтеза нуклеотидов, открытый Сазерлендом и его
Путь абиогенного синтеза нуклеотидов, открытый Сазерлендом и его
Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 2: Рибозимы –
Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 2: Рибозимы –
Ключевым компонентом РНК-мира предположительно были молекулы РНК с
Ключевым компонентом РНК-мира предположительно были молекулы РНК с
Рибозимы с РНК-полимеразной активностью
Рибозимы с РНК-полимеразной активностью
Как удалось усовершенствовать R18:
Как удалось усовершенствовать R18:
Новый рибозим (tC19 или tC19Z) и его «достижений»
Новый рибозим (tC19 или tC19Z) и его «достижений»
Дальнейшее усовершенствования рибозимов-полимераз:
Дальнейшее усовершенствования рибозимов-полимераз:
Таким образом, в «РНК-вселенной» уже найдены рибозимы, способные
Таким образом, в «РНК-вселенной» уже найдены рибозимы, способные
Манфред Эйген (р
Манфред Эйген (р
Проблема мутационной деградации (преодоления эйгеновского порога)
Проблема мутационной деградации (преодоления эйгеновского порога)
Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору
Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору
Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору
Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору
Stepwise process toward a template-dependent RNA polymerase
Stepwise process toward a template-dependent RNA polymerase
Взаимное размножение двух рибозимов (в качестве «пищи» используются
Взаимное размножение двух рибозимов (в качестве «пищи» используются
Получается, что все этапы в общих чертах уже расшифрованы:
Получается, что все этапы в общих чертах уже расшифрованы:
Неферментативная репликация РНК
Неферментативная репликация РНК
Неферментативная репликация РНК (НР РНК) В 1980-е годы активно изучал
Неферментативная репликация РНК (НР РНК) В 1980-е годы активно изучал
8 проблем НР РНК (Jack W Szostak
8 проблем НР РНК (Jack W Szostak
Проблема 1: Региоспецифичность
Проблема 1: Региоспецифичность
Проблема 2: Высокая температура плавления РНК-дуплексов
Проблема 2: Высокая температура плавления РНК-дуплексов
Проблема 3: Низкая точность копирования (как преодолеть порог Эйгена
Проблема 3: Низкая точность копирования (как преодолеть порог Эйгена
Проблема 4: Низкая скорость копирования (НР идет в том же временном
Проблема 4: Низкая скорость копирования (НР идет в том же временном
Проблема 5: реактивация
Проблема 5: реактивация
Проблема 6: Двухвалентные ионы металлов, высокая концентрация которых
Проблема 6: Двухвалентные ионы металлов, высокая концентрация которых
Проблема 7: праймеры
Проблема 7: праймеры
Проблема 8: Обратное слипание комплементарных цепочек (strand
Проблема 8: Обратное слипание комплементарных цепочек (strand
Первыми функциональными рибозимами, по Шостаку, скорее всего были
Первыми функциональными рибозимами, по Шостаку, скорее всего были
Автотрофы и гетеротрофы
Автотрофы и гетеротрофы
Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы
Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы
Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы
Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы
Эволюционное дерево прокариот с датировками (по Battistuzzi et al
Эволюционное дерево прокариот с датировками (по Battistuzzi et al
Датировки основных событий (из той же работы)
Датировки основных событий (из той же работы)
Оболочка
Оболочка
Оболочка
Оболочка
Протоклетка
Протоклетка
«Протоклетку», в которой идет неферментативная репликация РНК,
«Протоклетку», в которой идет неферментативная репликация РНК,
Мог ли присутствовать абиогенно синтезированный цитрат в «колыбели
Мог ли присутствовать абиогенно синтезированный цитрат в «колыбели
Явные следы РНК-мира
Явные следы РНК-мира
Возможно, в РНК-мире на концах молекул РНК, подлежащих репликации,
Возможно, в РНК-мире на концах молекул РНК, подлежащих репликации,
Сначала: специфический синтез пептидов (генетический код, механизм
Сначала: специфический синтез пептидов (генетический код, механизм
Рибосома
Рибосома
Происхождение жизни
Происхождение жизни
Рибосома
Рибосома
«А-минорное» взаимодействие: аденозин укладывается в малый желобок
«А-минорное» взаимодействие: аденозин укладывается в малый желобок
Исходной «проторибосомой», с которой началась эволюция рибосомы, был
Исходной «проторибосомой», с которой началась эволюция рибосомы, был
Этапы эволюции рибосомы
Этапы эволюции рибосомы
Проторибосома не связывала мРНК и не могла контролировать
Проторибосома не связывала мРНК и не могла контролировать
«Гонка вооружений» рибозимов-хищников и рибозимов-жертв могла
«Гонка вооружений» рибозимов-хищников и рибозимов-жертв могла
E. Koonin
E. Koonin
Происхождение жизни
Происхождение жизни
Белки, ныне необходимые для трансляции, постепенно эволюционировали
Белки, ныне необходимые для трансляции, постепенно эволюционировали
Появление белкового синтеза расширило спектр доступных ниш
Появление белкового синтеза расширило спектр доступных ниш
Приобретение ДНК (РНК-организмом, уже имевшим белковый синтез)
Приобретение ДНК (РНК-организмом, уже имевшим белковый синтез)
Вирусы сопровождали клеточную жизнь со времен РНК-мира
Вирусы сопровождали клеточную жизнь со времен РНК-мира
Реконструкция белков и рРНК LUCA и последних общих предков бактерий и
Реконструкция белков и рРНК LUCA и последних общих предков бактерий и
LUCA
LUCA

Презентация на тему: «Происхождение жизни». Автор: Alexandr Markov. Файл: «Происхождение жизни.ppt». Размер zip-архива: 11231 КБ.

Происхождение жизни

содержание презентации «Происхождение жизни.ppt»
СлайдТекст
1 Происхождение жизни

Происхождение жизни

Марков А.В. зав. кафедрой Биологической эволюции биофака МГУ в.н.с. Палеонтологического института РАН

2 Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много

Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много

Мы не умеем интуитивно оценивать очень большие и очень малые величины. Одна авиакатастрофа примерно на 106 часов полета. Даже если мы летаем очень много, то за жизнь налетаем не более 5000 часов. Вероятность погибнуть в авиакатастрофе 1/200 (пренебрежимо мало). Если бы мы жили по 100000 лет, летать самолетами было бы гарантированным самоубийством.

3 Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много

Невероятные события становятся неизбежными, если попыток очень много

В Галактике 2-4*1011 звезд. По современным оценкам, 10-20% из них могут иметь планеты, пригодные для жизни. В видимой Вселенной 1-5*1011 галактик. Итого, получаем (по минимуму) 2*1021 (2 миллиарда триллионов) пригодных для жизни планет. Даже если вероятность зарождения жизни на «подходящей» планете составляет всего лишь 0,0000000000000000001 (одну стоквинтиллионную), то во Вселенной почти наверняка будет хотя бы одна планета с жизнью. Мы, разумеется, как раз на ней и живем («слабый антропный принцип»). В обыденной жизни события с такой низкой вероятностью воспринимаются как абсолютно невозможные. Однако в масштабах Вселенной такое событие является практически неизбежным! Поэтому, в отличие от многих других биологических проблем, для решения проблемы происхождения жизни достаточно обнаружить даже крайне маловероятный механизм.

4 Если верна концепция инфляционной космологии (сверхбыстрого расширения

Если верна концепция инфляционной космологии (сверхбыстрого расширения

в первые мгновения после «Большого взрыва»), то «число попыток» зарождения жизни на той или иной планете было не 1020 – 1022, а порядка 10100 000 – 10100 000 000 000 000 В таком случае разумные существа, возникшие где-то во Вселенной, могли бы видеть историю жизни на своей планете как последовательность совершенно необъяснимых чудес. И это не противоречило бы теории абиогенеза (самозарождения жизни)! (Guth A. 1998. The Inflationary Universe. The Quest for a New Theory of Cosmic Origins; Линде А.Д. 1990. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М.: Наука, 1990; В.А.Мазур. Инфляционнная космология и гипотеза случайного самозарождения жизни // ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 431, № 2, с. 183–187),

Инфляционная космология предполагает, что видимая Вселенная – лишь крошечная часть «домена», т.е. Мироздания, в котором соблюдаются знакомые нам физические законы

5 Чем меньше похожа истории жизни на Земле на цепочку невероятных чудес,

Чем меньше похожа истории жизни на Земле на цепочку невероятных чудес,

тем больше шансов найти жизнь на других планетах. Открывая всё более простые и высоковероятные способы абиогенного синтеза органики, поэтапного развития белкового синтеза и т.п., ученые не столько добывают новые доказательства принципиальной возможности абиогенеза (уже и так понятно, что принципиально он возможен), сколько повышают оценку вероятности встречи с инопланетянами. Новые открытия в изучении абиогенеза постепенно повышают вероятность существования «зеленых человечков».

6 Этапы зарождения жизни

Этапы зарождения жизни

Абиогенный синтез простых органических соединений (нет проблем) Абиогенный синтез сложных органических соединений – «кирпичиков» жизни (основные проблемы почти решены) Появление репликаторов (РНК?) (проблем еще много, но они постепенно решаются) После этого все уже намного проще, потому что начинает работать «дарвиновский» эволюционный механизм (наследственность, изменчивость, отбор) Появление универсального механизма точного синтеза полипептидов (генетического кода и механизма трансляции), ДНК, липидных мембран и первых клеток. LUCA – Last Universal Common Ancestor

7 Положение luca на древе жизни

Положение luca на древе жизни

Bacteria

Archaea

Eukaryota

Днк

LUCA

Первые клетки

Белковый синтез

эволюция в «мире РНК»

Вирусы

Репликаторы, старт эволюции

Абиогенный синтез органики

эта схема крайне упрощена! не отражает симбиогенез и ГПГ, которые играли важнейшую роль!

Выше этой линии - клетки с привычным для нас устройством

Цинковый мир, жизнь в микрополостях минералов...

8 Историческая справка

Историческая справка

Самозарождение жизни. Витализм.

«Самозарождение» мышей в горшке с зерном

9 Крах теории самозарождения

Крах теории самозарождения

Франческо Реди (1626-1697)

1668

10 Ладзаро Спалланцани (1729 – 1799) обнаружил, что микробы не

Ладзаро Спалланцани (1729 – 1799) обнаружил, что микробы не

самозарождаются, если питательную среду прокипятить и закупорить. Так была опровергнута теория самозарождения и изобретены консервы.

11 Луи Пастер (1822 – 1895)

Луи Пастер (1822 – 1895)

Опыт Пастера доказал, что микробы зарождаются от чего-то материального, весомого (скорее всего, от других микробов), а не от гипотетической бесплотной «жизненной силы», разлитой в воздухе.

12 Абиогенез – происхождение живого из неживого естественным путем Первый

Абиогенез – происхождение живого из неживого естественным путем Первый

успех: доказательство возможности синтеза органических веществ из неорганических (органические вещества — класс соединений, в состав которых входит углерод, за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов)

Фридрих Вёлер, 1828: синтез мочевины Марселен Бертло, 1851-54: углеводороды, спирты, липиды Александр Михайлович Бутлеров,1864: автокаталитическая реакция синтеза сахаров из формальдегида.

13 13,7 млрд лет назад – Большой взрыв Через 400 000 лет – атомы (водород

13,7 млрд лет назад – Большой взрыв Через 400 000 лет – атомы (водород

гелий, литий) Через 1 млрд лет – звезды первого поколения, галактики. В недрах звезд – синтез тяжелых элементов, в том числе C, N, O и других, необходимых для жизни. Взрывы сверхновых: синтез тяжелых элементов + рассеивание элементов в пространстве. Через 3 млрд лет – звезды второго поколения, содержащие тяжелые элементы. Около 4,6 млрд лет назад – наша Солнечная система. Синтез органики в протопланетных облаках звезд 2-го поколения

14 Распространенность элементов во Вселенной

Распространенность элементов во Вселенной

Жизнь основана на самых распространенных.

15 Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:

Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:

1) В протопланетном облаке из водорода, азота, угарного газа, цианистого водорода и других простых молекул, обычных в космосе. Катализаторы – твердые частицы, содержащие железо, никель, кремний). Органику находят в метеоритах! Т.о., молодая Земля могла иметь в своем составе большое количество органики с самого начала своего существования. Абиогенный синтез органики продолжался уже на Земле.

16 Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:

Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:

2) В атмосфере древней Земли и в вулканических газах под действием электрических разрядов (молний). Смеси H2, СН4, CO, NH3, H2S, HCN. Эксперимент Стэнли Миллера – 1953, аминокислоты (H2, СН4, CO, NH3). Хуан Оро в 1961 г. добавил в смесь HCN и получил аденин. Без CO2 синтез идет легко. Если в смеси есть CO2 – сложнее, требуется восстановитель.

17 Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:

Установлено, что абиогенный синтез простой органики возможен:

3) В гидротермальных источниках из CO, HCN; катализаторы – железо, никель. Реакции хорошо идут при температуре 80–120 градусов. Такие условия могли существовать в подводных вулканических источниках на молодой Земле. Осн. продукт – гидроксикислоты и аминокислоты. В небольших количествах – в-ва, из которых в иных условиях могут синтезироваться сахара и липиды (альфа-гидрокси-n-валериановая кислота, этиленгликоль) (C. Huber, G. W?chtersh?user. ?-Hydroxy and ?-Amino Acids Under Possible Hadean, Volcanic Origin-of-Life Conditions // Science. 2006. V. 314. P. 630–632.) 4) Абиогенный фотосинтез (фиксация CO2) на поверхности частиц сульфида цинка при наличии ультрафиолетового излучения. Теория «цинкового мира». На поверхности сульфида цинка, помимо синтеза разнообразной органики, может идти полимеризация РНК из рибонуклеотидов (Mulkidjanian, A.Y., 2009. On the origin of life in the zinc world)

18 Черный и белый курильщики

Черный и белый курильщики

Очень горячие, много металлов. Черные: FeS, CuS, NiS («железный мир» Гюнтера Вехтерсхойзера) Реакция Fe2+ c H2S с обр. пирита FeS2 с выдел. энергии, фиксация CO Белые: ZnS, MnS («цинковый мир» Армена Мулкиджаняна) Абиогенный фотосинтез на ZnS; д.б. высокое атмосферное давление, чтобы сульфид цинка поднялся до освещенных верхних слоев воды.

19 “Lost city” hydrothermal field (третий тип подводных вулканических

“Lost city” hydrothermal field (третий тип подводных вулканических

источников)

40-700С. Щелочные, а не кислые. Мало металлов. Много H2. Минеральные постройки – пористые. Микрополости, по размеру близкие к живым клеткам, с полупроницаемыми стенками, могли стать вместилищами первых квази-живых систем (гипотеза Майкла Рассела).

20 Ник Лейн

Ник Лейн

«Лестница жизни»

21 В моделях Вехтерсхойзера, Мулкиджаняна и Рассела много общего

В моделях Вехтерсхойзера, Мулкиджаняна и Рассела много общего

Жизнь зародилась в специфических местообитаниях, где были: неорганические компартменты (микрополости), в которых могли накапливаться орг. вещества; минеральные поверхности с каталитическими свойствами;

(E. Koonin, The Logic of Chance)

3) энергетические и химические градиенты, которые поддерживались благодаря постоянному притоку гидротермальных растворов из недр и позволяли идти реакциям абиогенного синтеза органики и др. (В спокойном океане первичного бульона, находящемся в состоянии термодинамического равновесия, жизнь никогда не зародилась бы)

22 Абиогенным путем сравнительно легко (т

Абиогенным путем сравнительно легко (т

е. в правдоподобных, высоковероятных условиях) могут синтезироваться:

Углеводороды Альдегиды, спирты Карбоновые кислоты Сахара (реакция Бутлерова) Аминокислоты Азотистые основания (в аппарте Миллера при добавлении синильной кислоты; кроме того, все четыре азотистых основания синтезируются с высоким выходом из формамида (NH2CНO) на поверхности TiO2 в отсутствие воды при ультрафиолетовом облучении. Такие условия существуют, например, в стратосфере, где и сейчас оксид титана составляет заметную долю пылевых частиц).

23 Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации

Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации

Постепенно решается. Реакция Бутлерова: водный раствор формальдегида (СH2O) с добавлением Ca(OH)2 или Mg(OH)2 при небольшом нагревании превращается в сложную смесь сахаров. Реакция катализируется собственными продуктами. В стандартных условиях производит смесь из множества сахаров, среди которых молекулы, необходимые для жизни, составляют доли процента и существуют недолго. Оказалось, что в присутствии силиката натрия (Na2SiO3) реакция становится более упорядоченной, а получающиеся сахара обретают стабильность. Силикат-анион образует комплексы с четырех- и шестиуглеродными сахарами, которые выпадают в осадок и не участвуют в реакции далее. Так накапливаются сахара, имеющие две соседние гидроксильные группы с одной стороны: эритроза, треоза, глюкоза, манноза.

24 Энантиомеры (оптические изомеры) — стереоизомеры, представляющие собой

Энантиомеры (оптические изомеры) — стереоизомеры, представляющие собой

нантиомеры (оптические изомеры) — стереоизомеры, представляющие собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве. Обладают свойством хиральности, т.е. не совпадают в пространстве со своим зеркальным отражением. «Центр хиральности» – атом углерода, связанный с четырьмя различными заместителями. Оптическая активность — способность вращать плоскость поляризации света (противоположные энантиомеры вращают свет в противоположных направлениях).

Аминокислоты бывают «левые» и «правые». Белки состоят из «левых».

25 Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (2)

Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (2)

Если в реакционную смесь р-ции Бутлерова добавить гидроксиапатит (Ca3(PO4)2 * Ca(OH)2), то на его поверхности избирательно осаждается рибоза. Еще один избирательный катализатор реакции Бутлерова — комплекс пролина с ионом цинка. Он тоже останавливает реакцию на стадии пяти- и шестиуглеродных сахаров + он стереоспецифичен! Комплекс «левого» пролина с цинком избирательно синтезирует «правые» сахара. Присутствие алюмосиликатов также способствует избирательному синтезу «правых» сахаров

26 Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (3)

Проблема избирательного синтеза «нужных» молекул и их стабилизации (3)

Полимеризация аминокислот, сахаров и нуклеотидов на поверхности минералов (глина, пирит, апатит и др.) В такой ситуации, в отличие от раствора, могут преимущественно соединяться мономеры одной хиральности. В результате происходит обогащение одним оптическим изомером. Хиральное обогащение аминокислот может быть обеспечено фотохимическими процессами с участием поляризованного УФ-света. Поэтому в метеоритах встречаются аминокислоты с заметным избытком L-изомеров.

27 Биогеохимический круговорот

Биогеохимический круговорот

Конкуренция между реакциями. Каталитические циклы.

Но каталитический цикл – еще не жизнь. Чтобы стартовала эволюция, должны появиться катализаторы, обладающие наследственной изменчивостью. Такие как, например, молекулы РНК.

28 Теория РНК-мира

Теория РНК-мира

Две ключевые функции живых организмов: 1) хранение, размножение и передача наследственной информации, 2) активная работа по получению энергии, синтезу необходимых молекул, построению и поддержанию всех структур организма. Три основных класса биополимеров: белки, ДНК, РНК Белки выполняют почти всю «работу», но не могут хранить наследственную информацию ДНК хранит наследственную информацию, но не может выполнять «работу»

29 Теория РНК-мира

Теория РНК-мира

Только РНК может выполнять обе ключевые функции в одиночку. Именно с нее могла начаться жизнь. Уже в 1967-1968 гг Френсис Крик, Лесли Оргел, Карл Вёзе предполагали, что РНК была «первой молекулой жизни» Открытие рибозимов (включая каталитическую функцию рРНК) немедленно привело к появлению и быстрому развитию теории РНК-мира (в середине 1980-х).

30 Методом искусственной эволюции легко выводятся рибозимы: лигазы

Методом искусственной эволюции легко выводятся рибозимы: лигазы

(сшивают НК) нуклеазы (режут НК) транспептидазы (присоединяют аминокислоту, напр., к другой аминокислоте) аптамеры (избирательно связываются с какой-то молекулой) Труднее (но можно) вывести: катализаторы о-в р-ций (нужны кофакторы, ионы металлов или поверхности минералов) полимеразы мн. др.

Рибозим - лигаза

31 Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 1: абиогенный синтез

Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 1: абиогенный синтез

нуклеотидов

32 Проблема абиогенного синтеза нуклеотидов

Проблема абиогенного синтеза нуклеотидов

Азотистые основания и рибоза могут синтезироваться из простейшей органики в реалистичных условиях. Но вот объединяться вместе, чтобы образовать рибонуклеотид, они не хотят (точнее, А и Г синтезируются, хоть и с низкой эффективностью, а Ц и У не получаются совсем). Трудно получить рибозу и «правильные» азотистые основания в достаточно чистом виде.

33 Гликольальдегид

Гликольальдегид

Синтез цитидина (Ц) из простейшей органики. Синими стрелками показан путь, которым химики пытались идти раньше. Одна из реакций на этом пути оказалась невыполнимой в реалистичных условиях. Эта реакция — соединение рибозы (4) с азотистым основанием цитозином (3) — перечеркнута красным крестиком. Зелеными стрелками показан путь, найденный британскими химиками. M.W. Powner, B. Gerland, J.D. Sutherland. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions // Nature. 2009. V. 459. P. 239–242.

Глицеральдегид

Цианамид

Рибоза

Мочевина

Цитозин

Цианоацетилен

рибонуклеотид Ц

2-амино-оксазол

34 Ключевые особенности найденного способа абиогенного синтеза

Ключевые особенности найденного способа абиогенного синтеза

пиримидиновых нуклеотидов

Фосфат присутствует в смеси с самого начала. Выполняет роль буфера, резко повышает выход «нужных» продуктов. В смеси сразу присутствуют и азотистые соединения, и простейшие углеводы. Побочный продукт (мочевина) играет роль катализатора на последующих этапах. Ультрафиолет превращает часть Ц в У и «отбирает» из всей массы получившихся разнообразных пиримидиновых нуклеотидов именно Ц и У (только они устойчивы к УФ).

35 Продолжение исследований в этом направлении: получение хирально чистых

Продолжение исследований в этом направлении: получение хирально чистых

рибонуклеотидов

Изящество открытого Сазерлендом пути наводит на мысль, что он не «придуман», а «угадан». В таком случае следует ожидать новых открытий. В 2011 вышла статья группы Джейсона Хейна из Калифорнии, где они, добавляя к системе Сазерленда различные аминокислоты, получили стереоспецифический синтез рибонуклеотидов. Более того, достаточно было небольшого избытка одного из стереоизомеров аминокислоты, чтобы в конце концов получились хирально чистые рибонуклеотиды!

Hein, J.E., Tse, E., Blackmond, D.G., 2011. A route to enantiopure RNA precursors from nearly racemic starting materials // Nat. Chem. 3, 704–706.

36 Аминокислоты вмешиваются в синтез Сазерленда на стадии реакции

Аминокислоты вмешиваются в синтез Сазерленда на стадии реакции

2-амино-оксазола с глицеральдегидом. Пара глицеральдегида с аминокислотой той же хиральности реагирует в 4 раза быстрее, чем разнохиральная. Т.о., избыток L-аминокислоты будет связывать L-глицеральдегид в побочный путь реакции, оставляя для синтеза рибонуклеотидов больше D-изомеров сахара Т.о., достаточно, чтобы в синтез Сазерленда попал раствор аминокислот, хотя бы немного хирально обогащенный (путем частичной кристаллизации или в результате фотохимических процессов под действием УФ), чтобы в итоге получились хирально чистые рибонуклеотиды.

37 Солнечный ультрафиолет на заре «мира РНК» мог служить фактором отбора:

Солнечный ультрафиолет на заре «мира РНК» мог служить фактором отбора:

Самых УФ-стойких азотистых оснований, образующих комплементарные пары (а это как раз А, Г, У, Ц) Хирально чистых олигонуклеотидов среди рацемических. Синтез коротких РНК из нуклеотидов идет на поверхности минералов (алюмосиликатные глины, сульфиды металлов) в присутствии пирофосфатов при упаривании воды и нагревании до 100-120 градусов. Хирально чистые олигонуклеотиды устойчивее к УФ. Олигонуклеотиды из 3-5 звеньев достаточно коротки, чтобы даже из рацемической смеси нуклеотидов случайно получались хирально чистые молекулы, и при этом достаточно длинны, чтобы стэкинг-взаимодействие (взаимная защита нуклеотидов от УФ) давало заметный бонус к защите. Присоединение к такой цепочке нуклеотида другой хиральности неустойчиво, т.к. он хуже вступает в стэкинг-взаимодействие и станет слабым звеном молекулы. По мере роста цепи этот эффект только усиливается. Длинных молекул РНК из более коротких. Молекул РНК, содержащих локальные двуспиральные участки (шпильки), из молекул со случайными последовательностями. Это повышает вероятность возникновения активных рибозимов. + Возможность абиогенного фотосинтеза на ZnS + Хиральное обогащение аминокислот может быть обеспечено фотохимическими процессами с участием поляризованного УФ-света. ВЫВОД: жизнь почти наверняка зародилась на мелководье, скорее всего – в континентальных гидротермальных водоемах. В них к тому же и ионный состав ближе к характерному для живых клеток.

38 Путь абиогенного синтеза нуклеотидов, открытый Сазерлендом и его

Путь абиогенного синтеза нуклеотидов, открытый Сазерлендом и его

коллегами, хорошо идет при температурах и pH, встречающихся в небольших водоемах. В письме своему другу Джозефу Хукеру Дарвин осторожно предположил, что жизнь могла зародиться из неживой материи в «маленьком теплом пруду». Вполне возможно, что он и на этот раз оказался прав.

"It is often said that all the conditions for the first production of a living organism are now present, which could ever have been present. But if (and oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sorts of ammonia and phosphoric salts, - light, heat, electricity etc. present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes, at the present day such matter wd be instantly devoured, or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed." Darwin, 1871

39 Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 2: Рибозимы –

Как решаются проблемы теории РНК-мира Пример 2: Рибозимы –

РНК-полимеразы

40 Ключевым компонентом РНК-мира предположительно были молекулы РНК с

Ключевым компонентом РНК-мира предположительно были молекулы РНК с

РНК-полимеразной активностью (рибозимы, катализирующие репликацию молекул РНК). Появление таких рибозимов обеспечило бы наследственность и старт «дарвиновской» эволюции. У современных организмов таких рибозимов нет (они были вытеснены более эффективными белковыми ферментами-полимеразами) Пытаются получить искусственно (разумное проектирование + искусственная эволюция) Проблемы: 1) трудно отбирать «удачных» мутантов, 2) пока нет способа точно предсказывать свойства молекулы РНК по ее первичной структуре.

41 Рибозимы с РНК-полимеразной активностью

Рибозимы с РНК-полимеразной активностью

это рибозим был лучшим до 2011 г. Копирует до 15-20 нуклеотидов. Сильно зависит от матрицы

Рибозим с низкой зависимостью от матрицы

Рибозим с повышенной эффективностью

Эффективность + универсальность + точность

A. Wochner, J. Attwater, A. Coulson, P. Holliger. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme //Science. 2011. V. 332. P. 209–212

42 Как удалось усовершенствовать R18:

Как удалось усовершенствовать R18:

Новый метод отбора лучших РНК-полимераз: гены рибозимов прикрепляют к магнитным шарикам в водно-жировой эмульсии (каждый шарик оказывается в своей капле воды). Это позволяет затем отобрать те шарики, где рибозим синтезировал больше всего копий матрицы. Это позволило перепробовать десятки миллионов модификаций R18. Отбор вели в двух направлениях: 1) на эффективность копирования «самой удобной» матрицы (получили рибозим С19) и 2) на универсальность (снижение зависимости от матрицы). Получили рибозим Z. Объединили удачные мутации в одной молекуле РНК методом «разумного проектирования» и получили рибозим tC19Z.

43 Новый рибозим (tC19 или tC19Z) и его «достижений»

Новый рибозим (tC19 или tC19Z) и его «достижений»

Рибозим работает с матрицей (молекулой РНК, которую нужно копировать; серые шарики) с заранее приделанным праймером (черные шарики). Начиная от праймера, рибозим синтезирует на матрице комплементарную ей цепочку РНК, присоединяя нужные нуклеотиды по одному (разноцветные шарики). В результате могут быть скопированы молекулы РНК длиной до 95 нуклеотидов (справа вверху), в том числе активный рибозим Mini-hammerhead (справа внизу), который умеет разрезать в определенном месте молекулы РНК с определенной последовательностью нуклеотидов (розовые шарики) ВПЕРВЫЕ ПРОДЕМОНСТРИРОВАНА РЕПЛИКАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЫ РНК ПРИ ПОМОЩИ РИБОЗИМА – РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ.

44 Дальнейшее усовершенствования рибозимов-полимераз:

Дальнейшее усовершенствования рибозимов-полимераз:

Оказалось, что искусственную эволюцию удобно вести во льду; это позволило значительно улучшить прежние показатели. Получены рибозимы, способные реплицировать длинные (до 206 нуклеотидов) молекулы РНК, но не любые, а лишь с определенными последовательностями нуклеотидов (Attwater J., Wochner A., Holliger P. 2013. In-ice evolution of RNA polymerase ribozyme activity // Nature Chemistry)

45 Таким образом, в «РНК-вселенной» уже найдены рибозимы, способные

Таким образом, в «РНК-вселенной» уже найдены рибозимы, способные

размножать другие рибозимы. Пока нет рибозимов, способных размножать самих себя. Но это и не обязательно! Могло быть «содружество» размножающихся рибозимов. Одни молекулы (рибозимы с РНК-полимеразной активностью) размножали короткие молекулы РНК, а другие – собирали из коротких молекул более длинные, в том числе: 1) копии самих себя, 2) копии рибозимов-полимераз. Иными словами, возможна система поэтапной взаимной репликации.

46 Манфред Эйген (р

Манфред Эйген (р

1927) показал, что для устойчивого воспроизводства репликатора необходима достаточно высокая точность репликации (не более 1-10 мутаций на геном, в зав. от параметров) (Eigen threshold). Но чтобы обеспечить такую точность, геном должен быть большим, а для большого генома нужна еще большая точность.

Eugene Koonin. The logic of chance.

47 Проблема мутационной деградации (преодоления эйгеновского порога)

Проблема мутационной деградации (преодоления эйгеновского порога)

Первые рибозимы-полимеразы, по идее, были 1)большими и 2)очень неточными. Они не смогли бы синтезировать ни одной своей копии без множества вредных мутаций. Неизбежное вырождение и гибель. Справиться с проблемой мутационной деградации на ранних этапах РНК-мира могли помочь: 1)кооперация нескольких рибозимов, размножающих друг друга, 2)полимеризация только коротких олигонулеотидов, 3)использование рекомбинации (лигирования, сборки из кусочков) вместо полимеризации длинных молекул.

48 Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору

Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору

лигирование (сшивание коротких РНК в более длинные) дается рибозимам куда лучше, чем репликация путем последовательного присоединения нуклеотидов (удлинения праймера). Рибозимы-лигазы получаются легко и в большом разнообразии из случайных, причем довольно коротких, последовательностей нуклеотидов. На этом основании предлагаются модели, в которых путь к эффективному рибозиму-полимеразе идет через два промежуточных этапа (Briones C., Stich M., Manrubia S.C. 2009. The dawn of the RNA World: Toward functional complexity through ligation of random RNA oligomers // RNA. V. 15. P. 743-749):

49 Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору

Рибозимы-лигазы – «мостик» на пути к первому репликатору

Случайная полимеризация коротких РНК на минеральных матрицах. Хорошо показал себя в этом отношении монтмориллонит, на котором удается синтезировать (без помощи ферментов, из нуклеотидов, активированных имидазолом или 1-метиладенином) одноцепочечные РНК до 50 нт (это с разными хитростями, праймерами, и это обычно полимеры одного нуклеотида) или до 20 нт без хитростей и без праймеров, из всех четырех нт вперемежку (Huang & Ferris, 2006). Формирование больших и сложных РНК путем сшивания (лигирования) маленьких. Этот процесс катализируют спонтанно возникающие (в результате полимеризации на минералах) простые рибозимы-лигазы. Ligation-based синтез сложных и больших РНК идет до тех пор, пока наконец не появится рибозим – РНК-полимераза (см. рисунок).

50 Stepwise process toward a template-dependent RNA polymerase

Stepwise process toward a template-dependent RNA polymerase

In every step we depict two possible and compatible scenarios: evolution on mineral surfaces (shown as brown rectangles) in bulk solution, as well as evolution inside vesicles that could also encapsulate mineral particles. Functional hairpin structures (with ligase activity) are shown in red. Solid and dotted arrows stand for the surface-bound to in-solution equilibria. The RNA polymerase emerging from this process is depicted in blue (из briones et al., 2009).

51 Взаимное размножение двух рибозимов (в качестве «пищи» используются

Взаимное размножение двух рибозимов (в качестве «пищи» используются

олигонуклеотиды). Это не полимеразы, а лигазы (сборка из фрагментов)

Схема репликации рибозимов в опыте Линкольн и Джойса (2009). Исходными субстратами служат 4 олигонуклеотида (два розовых и два голубых). Голубой рибозим служит матрицей для сборки розового рибозима из двух розовых олигонуклеотидов, а розовый рибозим — матрицей для сборки голубого рибозима из двух голубых олигонуклеотидов. Это направление быстро развивается. Уже получены сообщества из 3-4 «помогающих» друг другу рибозимов, которые вместе размножаются эффективнее, чем рибозимы - «эгоисты», которые размножают только сами себя.

T.A. Lincoln, G.F. Joyce. Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme // Science, 2009 Vaidya et al., 2012. Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators // Nature 491 (7422): 72-7

52 Получается, что все этапы в общих чертах уже расшифрованы:

Получается, что все этапы в общих чертах уже расшифрованы:

Проблема абиогенного синтеза простой органики решена; Найден правдоподобный путь абиогенного синтеза рибонуклеотидов из простой органики; Открытие рибозима tC19Z показало, что рибозимы могут реплицировать олигонуклеотиды (короткие молекулы РНК длиной до 95 нуклеотидов); Показано, что пары рибозимов могут размножать друг друга, используя олигонуклеотиды в качестве исходного субстрата. Таким образом, весь путь от неорганических веществ до первого репликатора (сообщества рибозимов, размножающих друг друга, с наследственностью и изменчивостью) практически разгадан. Осталось лишь доработать некоторые «стыки» (например, решить проблему праймеров в опытах с рибозимами – РНК-полимеразами). Как только появляется репликатор, дальше дело «само пойдет», потому что включится дарвиновский эволюционный механизм. Добавим к этому «аргумент от миллиарда триллионов планет», и проблема происхождения жизни, кажется, решена! А может быть, и добавлять необязательно (в таком случае есть шанс найти жизнь на других планетах)

53 Неферментативная репликация РНК

Неферментативная репликация РНК

Путь от абиогенной органики до первого репликатора в рассмотренных моделях все-таки должен быть пройден (почти) без помощи дарвиновского механизма. Однако имеется процесс, привлечение которого позволяет отодвинуть старт дарвиновской эволюции на более ранние этапы абиогенеза. Это неферментативный матричный синтез (неферментативная репликация) РНК (или, возможно, другого полимера, который был предшественником РНК – например, ПНК ).

54 Неферментативная репликация РНК (НР РНК) В 1980-е годы активно изучал

Неферментативная репликация РНК (НР РНК) В 1980-е годы активно изучал

Лесли Оргел (напр.: Inoue, Orgel, 1983). Он добился немалых успехов; в частности, удалось реплицировать матрицу из 14 нуклеотидов G и C (Acevedo, Orgel, 1987). К концу жизни Оргел почти разочаровался в идее из-за многочисленных неразрешенных трудностей (Orgel, 2004). Однако в наши дни дело Оргела продолжил Нобелевский лауреат Джек Шостак. Особенностью его подхода является уверенность в том, что дело происходило внутри «протоклеток», окруженных липидными мембранами, а не в микрополостях минералов, как считают многие другие авторы (Adamala, Szostak, 2013).

55 8 проблем НР РНК (Jack W Szostak

8 проблем НР РНК (Jack W Szostak

2012. The eightfold path to non-enzymatic RNA replication // Journal of Systems Chemistry. V. 3. P. 2.)

56 Проблема 1: Региоспецифичность

Проблема 1: Региоспецифичность

В ходе НР РНК наряду с правильными связями между нуклеотидами (3’-5’) образуются также и неправильные (2’-5’). Пути решения: 1) можно повысить долю правильных связей, используя в качестве катализатора НР ионы цинка (а не магния); 2) активировать нуклеотиды не имидазолом, а 2-метил-имидазолом. Кроме того, похоже, что такая ненаследуемая вариабельность связей (несовершенная региоспецифичность) не препятствует развитию наследуемых функций и эволюции функциональных рибозимов. Напр., Шостак показал, что случайные ненаследуемые чередования рибозы и дезоксирибозы в цепочке не мешают искусственной эволюции аптамеров (молекул РНК, избирательно связывающих какое-нибудь вещество, подобно белковым рецепторам). Т.е. из случайной смеси рибо- и дезоксирибонуклеотидов получаются почти такие же эффективные аптамеры, как из чистой РНК и ДНК. Возможно, несовершенная региоспецифичность тоже ничему не мешала. И действительно, уже в 2013 году Шостак и его коллеги экспериментально показали, что функциональные РНК устойчивы к случайной ненаследуемой гетерогенности 2?–5? и 3?–5? связей (Engelhart et al., 2013).

57 Проблема 2: Высокая температура плавления РНК-дуплексов

Проблема 2: Высокая температура плавления РНК-дуплексов

Если в рез-те НР получается двойная спираль, ее потом трудно разделить на две цепочки, чтобы цикл мог продолжиться (при условиях, совместимых с НР). Предполагается, что условия в «колыбели жизни» чередовались (Ricardo, Szostak, 2009): то становилось очень горячо (напр., из-за периодических геотермальных выбросов), и двойные спирали расплетались; то водоем остывал (выброс смешивался с окружающей водой), и НР могла продолжаться. Кроме того, здесь на помощь приходит несовершенная региоспецифичность! Даже небольшая примесь «неправильных» связей (2’-5’) сильно снижает температуру плавления РНК-дуплексов. Кроме того, несовершенная региоспецифичность могла помогать рибозимам совмещать каталитическую «работу» с функцией матрицы для НР. С каждой матрицы копировались разные варианты реплик: в одних было много неправильных связей, они хуже сворачивались в трехмерные структуры, легче расплетались и потому лучше выполняли функции матриц (но не рибозимов). В других было мало неправильных связей, они хорошо работали рибозимами, но с трудом реплицировались. Гомогенные продукты (только с «правильными» связями) не смогли бы справиться с обеими задачами одновременно. Возможно, несовершенная региоспецифичность – не «проблема», а ценнейшее свойство, которое и позволило РНК стать «первой молекулой жизни».

58 Проблема 3: Низкая точность копирования (как преодолеть порог Эйгена

Проблема 3: Низкая точность копирования (как преодолеть порог Эйгена

роблема 3: Низкая точность копирования (как преодолеть порог Эйгена?) Чтобы эффективно копировать хоть какие-то функциональные рибозимы до появления рибозимов – РНК-полимераз, НР должна иметь частоту ошибок не более 0,02 (примерно). В действительности эта частота, как правило, существенно выше: порядка 0,17, хотя может быть снижена до 0,10 или даже 0,05, если брать матрицы с повышенным содержанием GC (большинство ошибок НР совершается при попытке присоединить нуклеотид У. Чем его меньше, тем лучше). Существенно улучшить дело (предположительно) может замена У на 2-тио-У или даже 2-селено-У. Удивительно, но оба эти модифицированных нуклеотида встречаются в некоторых тРНК в современных живых организмах, в антикодонах: это повышает точность трансляции (2-тио-У реже образует «неправильную» пару с Г)! М.б. это древний рудимент из эпохи пре-РНК-мира? Задержка после ошибки. НР замедляется после того, как был по ошибке присоединен неправильный нуклеотид (post-mismatch stalling). Поэтому те акты репликации, которые проходят без ошибок, заканчиваются быстрее. Если нити быстро расплетаются и снова подвергаются НР, итоговая (реальная) точность НР может оказаться в 2-5 раз выше, чем кажется, когда ее (точность) измеряют единожды в конце опыта, после того, как все матрицы один раз отреплицировались. Так можно преодолеть барьер Эйгена, даже имея базовую частоту ошибок 0,05 – 0,08 вместо требуемых 0,02.

59 Проблема 4: Низкая скорость копирования (НР идет в том же временном

Проблема 4: Низкая скорость копирования (НР идет в том же временном

роблема 4: Низкая скорость копирования (НР идет в том же временном масштабе, что и самопроизвольная деградация копируемой матрицы). Идет поиск катализаторов и условий, ускоряющих НР. Напр., НР идет быстрее во льду при -20 градусах, но для Шостака это не подходит, т.к. в таких условиях разрушаются мембранные пузырьки. Рассматривается возможность репликации путем присоединения коротких комплементарных олигонуклеотидов (из 2-5 нт) с последующим заполнением просветов и лигированием кусочков в единую комплементарную нить (James, Ellington, 1997). Короткие комплементарные олигонуклеотиды могут образовываться спонтанно на матрице, потом они отсоединяются от нее, потом могут снова присоединяться и т.д.

60 Проблема 5: реактивация

Проблема 5: реактивация

Активированные нуклеотиды гидролизуются, что снижает эффективность НР, а как реактивировать гидролизованные нуклеотиды, не разрушив копируемую матрицу, непонятно. Существующие способы реактивации нуклеотидов портят матрицу. Химики ищут новые подходы и реагенты, но самый очевидный способ справиться с проблемой – перейти от замкнутой системы к проточной. РНК-матрицы (или мембранные пузырьки, их содержащие) нужно закрепить (например, на поверхности минералов) и поместить в проточную систему с постоянным притоком свежих активированных нуклеотидов (из близлежащего «маленького теплого пруда Сазерленда-Дарвина»)

61 Проблема 6: Двухвалентные ионы металлов, высокая концентрация которых

Проблема 6: Двухвалентные ионы металлов, высокая концентрация которых

необходима для НР, катализируют не только НР, но и деградацию одноцепочечных РНК и разрушение липидных мембран «протоклеток». Кроме того, они повышают температуру плавления РНК-дуплексов. Решается путем добавления правильного хелатора (напр., цитрата; см. ниже)

62 Проблема 7: праймеры

Проблема 7: праймеры

Откуда их брать? Особенно остро эта проблема стоит для «протоклеток», потому что протоклетка не может всасывать готовые праймеры извне – олигонуклеотиды длинее 3 нт не проходят через мембраны. По мнению Шостака, должен существовать способ «беспраймерной» НР: моно- или олигонуклеотиды комплементарно пристраиваются прямо посередине матрицы, потом к ним пристраиваются другие, кусочки лигируются, просветы заполняются... Эти возможности мало изучены: в экспериментах по НР всегда используются заранее приделанные праймеры; сам Шостак поступает так же. Проблема праймеров в пре-РНК-мире (в мире неферментативной репликации) могла привести к тому, что селективное преимущество получали (=быстрее размножались) те молекулы РНК, которым легче было найти себе праймер. То есть те, которые либо сами могли служить себе праймерами для само-удлинения (вариант «шпилька с хвостиком»), либо для которых в окружающей среде (протоклетке, минеральной микрополости) было много подходящих праймеров. Удобнейшим вариантом была бы способность молекулы РНК служить праймером для репликации собственных копий или реплик. «Мир палиндромных повторов».

63 Проблема 8: Обратное слипание комплементарных цепочек (strand

Проблема 8: Обратное слипание комплементарных цепочек (strand

роблема 8: Обратное слипание комплементарных цепочек (strand reannealing) – происходит быстрее, чем НР, и блокирует НР: получается стабильная двухцепочечная РНК, которая не может реплицироваться путем НР, пока цепочки не разъединятся. Простейший путь решения – уменьшить концентрацию РНК (матриц). Т.к. скорость «обратного слипания» пропорциональна квадрату концентрации. Фактически проблема сводится к ограничению концентрации размножаемых молекул в среде: если концентрация превышена, НР тормозится. Допустимые максимальные концентрации должны быть крайне низкими: всего несколько молекул на протоклетку диаметром в несколько мкм. А несколько молекул примитивного, неоптимального рибозима едва ли могли сделать хоть что-то, приносящее заметную пользу протоклетке. Замедлить обратное склеивание может сложная вторичная структура РНК: если молекула свернется в клубок со шпильками, она уже не слипнется с комплементарной цепью – но, конечно, и реплицироваться путем НР такой клубок будет с большим трудом. Возможный путь решения: быстрое прилипание коротких комплементарных олигонуклеотидов к разделившимся цепочкам может противостоять обратному склеиванию – а заодно и стимулировать дальнейшую НР, ведь такие прилипшие тут и там олигонуклеотиды – это промежуточные стадии НР, они могут затем нарастать на 3’ концах, лигироваться и т.д. Для этого надо, чтобы коротких комплементарных олигонуклеотидов было достаточно много.

64 Первыми функциональными рибозимами, по Шостаку, скорее всего были

Первыми функциональными рибозимами, по Шостаку, скорее всего были

метаболические рибозимы: напр., ускорявшие синтез фосфолипидов (что способствовало росту и делению протоклеток); реактивирующие рибозимы; нуклеазы, обрезающие перекрывающиеся концы у олигонуклеотидов (это ускоряло бы НР) и др. В конце концов лигазы и полимеразы стали помогать репликации (ускорять ее), но нет оснований полагать, что эти функции появились первыми!

65 Автотрофы и гетеротрофы

Автотрофы и гетеротрофы

Автотрофы сами синтезируют органику из неорганики. Фиксация CO2: цикл Кальвина (рубиско), обратный цикл Кребса, фиксация при помощи ацетил-кофермента А. Автотрофы используют для фиксации энергию света (фотоавтотрофы, фотосинтез) или энергию окислительно-восстановительных реакций (хемоавтотрофы): метаногенез, сульфат-редукция, окисление метана, соединений железа, серы и мн. др. Гетеротрофы питаются готовой органикой.

66 Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы

Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы

Предположение о первичности гетеротрофов. Теория «первичного бульона» (Опарин, Холдейн). «За»: простые (теоретически). Но если совсем простые, как микоплазма, то очень требовательные. «Против»: 1) слишком быстро съели бы весь «первичный бульон» (впрочем, бульон мог пополняться – например, за счет абиогенного фотосинтеза на сульфиде цинка) 2) крупные заряженные органические молекулы не пролезают сквозь липидные мембраны. Предположение о первичности фотоавтотрофов. «За»: 1) древнейшие ископаемые микроорганизмы (3,5 млрд лет) напоминают цианобактерий (хотя внешнее сходство – плохой критерий) 2) самодостаточны (теоретически). Но нуждаются в доноре электрона. «Против»: 1) система фотосинтеза – сложная, а если используется легкодоступный донор электрона (вода), то совсем сложная, 2) сравнительная геномика не подтверждает.

67 Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы

Кто появился раньше: гетеротрофы, фотоавтотрофы или хемоавтотрофы

Предположение о первичности хемоавтотрофов. «За»: 1) сравнительная геномика подтверждает очень большую древность; многие самые архаичные прокариоты (археи) – как раз хемоавтотрофы (метаногены), но есть среди них и гетеротрофы (напр., Thermoplasma, Pyrococcus); 2) действительно самодостаточны (например, могут жить в полной изоляции глубоко в недрах земли). «Против»: все-таки гетеротрофу нужно меньше биохимических путей. Все противоречия разрешаются, если предположить, что первые живые существа были гетеротрофами, которые жили в таком биотопе, где постоянно шел абиогенный синтез органики. Т.е. не в «первичном бульоне», а в «первичном биореакторе», напр., в гидротермальных источниках. В теории цинкового мира первичные гетеротрофы дали начало фотоавтотрофам – бактериям и хемоавтотрофам – археям.

68 Эволюционное дерево прокариот с датировками (по Battistuzzi et al

Эволюционное дерево прокариот с датировками (по Battistuzzi et al

волюционное дерево прокариот с датировками (по Battistuzzi et al., 2004)

(по 32 белкам, гены которых редко участвуют в горизонтальном обмене). Это только один из вариантов (далеко не единственное из рассматриваемых в современной литературе деревьев).

69 Датировки основных событий (из той же работы)

Датировки основных событий (из той же работы)

Событие

Датировка (млрд. лет)

Прим.

Появление жизни (или, скорее, появление белкового синтеза).

4,1

Поскольку анализ шел по белкам, имеется в виду, естественно, (ДНК)-РНК-белковая жизнь (а не РНК-организмы).

Появление метаногенеза (CO2 + H2 = CH4 + H2O + энергия).

3,8 - 4,1

Метаногены, действительно, могли быть первыми.

Расхождение эволюционных линий архей

3,1-4,1

Появление бескислородного фотосинтеза

3,2

Архейские строматолиты были построены бактериальными сообществами, основу которых составляли анаэробные фотосинтетики.

Появление анаэробной метанотрофии

3,1

? Соответствует изменениям изотопного состава углерода в породах возрастом 2,8 - 2,6 млрд. Лет

Заселение суши

2,8-3,1

? Актино- и цианобактерии могли быть первопоселенцами суши ?

Появление цианобактерий

2,6

Это противоречит общепринятым взглядам о более раннем появлении ЦБ! Скорее всего, ЦБ появились все-таки раньше.

Появление аэробной метанотрофии

2,5-2,8

? до цианобактерий? Откуда кислород?

Расхождение крупнейших эволюционных линий бактерий

2,5 - 3,5

Стали развиваться позже, чем археи.

70 Оболочка

Оболочка

Две версии: Основная. Репликаторы жили сначала в микрополостях минералов. Временно «заворачиваться» в липидные оболочки научились позже – для расселения. При этом оболочки могли быть изначально изобретены репликационными паразитами – вирусами (которые должны были появиться немедленно после появления репликаторов) Дополнительная. Репликаторы зарождались прямо внутри мембранных пузырьков – коацерватов, которые при определенных условиях могут сами «расти» и «размножаться». Опарин, Шостак.

Коацерватные капли

А.И.Опарин (1894-1980)

71 Оболочка

Оболочка

Схема прохождения полярных или слабозаряженных молекул сквозь двухслойную липидную мембрану. Молекула сначала прилипает к гидрофильным «головкам» липидов (выделены красным). Это приводит к изменению ориентации молекул липидов. При определенных условиях липиды могут «перекувырнуться» головками на другую сторону мембраны, увлекая за собой захваченную молекулу. ПРОБЛЕМА: первые организмы должны были питаться готовыми крупными орг. молекулами, в т.ч. заряженными, а такие молекулы сквозь обычные липидные мембраны не проходят. РЕШЕНИЕ: мембраны, построенные из более «пребиотически достоверных» молекул (с большими головами и короткими хвостами), более проницаемы для такой органики.

72 Протоклетка

Протоклетка

Нуклеотид А, активированный имидазолом (решение проблемы заряда)

Искусственная протоклетка, питающаяся готовой органикой (активир. нуклеотидами). Мембрана растет за счет включения подходящих молекул из внешней среды. Делится протоклетка простым «разваливанием пополам». Основную «пищу» ее составляют активированные нуклеотиды. Они просачиваются сквозь мембрану и используются для самопроизвольной (неферментативной) репликации ДНК.

S.S. Mansy, J.P. Schrum, M. Krishnamurthy, S. Tob?, D.A. Treco, J.W. Szostak. Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell // Nature. 2008.

73 «Протоклетку», в которой идет неферментативная репликация РНК,

«Протоклетку», в которой идет неферментативная репликация РНК,

оказалось трудно сделать, т.к. ионы магния, катализирующие репликацию РНК, разрушают липидные мембраны и способствуют распаду однонитевых молекул РНК. Джек Шостак (Jack W. Szostak) и его ученики в 2013 г. преодолели это препятствие, добавив в среду хелатирующий агент — цитрат. Ионы магния в комплексе с цитратом по-прежнему катализируют репликацию РНК, но уже не повреждают мембраны и однонитевые РНК. Это позволило получить протоклетки, внутри которых идет неферментативный синтез РНК. Katarzyna Adamala and Jack W. Szostak. Nonenzymatic Template-Directed RNA Synthesis Inside Model Protocells // Science. 2013. V. 342. P. 1098–1100.

74 Мог ли присутствовать абиогенно синтезированный цитрат в «колыбели

Мог ли присутствовать абиогенно синтезированный цитрат в «колыбели

жизни»? До недавнего времени правдоподобные способы абиогенного синтеза цитрата не были известны. Но в 2013 г. был найден реалистичный путь абиогенного синтеза щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата) (Butch et al., 2013). Отсюда до цитрата уже близко (они соседи по циклу Кребса). Шостак и Адамала предложили более интересную гипотезу: роль хелатора, подавляющего негативные эффекты ионов Mg2+, могли взять на себя пептиды, состоящие из нескольких аминокислот с отрицательно заряженными радикалами, таких как аспарагиновая кислота. Современные клеточные РНК-полимеразы имеют в своем активном центре ион магния, удерживаемый тремя остатками аспарагиновой кислоты. Эта аминокислота встречается в метеоритах и легко образуется в опытах по абиогенному синтезу органики (таких как опыт Стэнли Миллера). Наличие абиогенных аминокислот и простых пептидов в «колыбели жизни» считается высоковероятным. С появления простых рибозимов, катализирующих соединение аминокислот друг с другом, скорее всего, началась эволюция белкового синтеза. Шостак и его коллеги пытаются найти простые пептиды, способные помочь магнию катализировать репликацию РНК лучше, чем это делает цитрат. «Содружество» пептидов с РНК должно было сформироваться задолго до появления матричного белкового синтеза (трансляции).

75 Явные следы РНК-мира

Явные следы РНК-мира

РНК-праймеры при репликации ДНК Рибосома Самосплайсирующиеся интроны. РНК-переключатели Rnase P у бактерий (рибозим. Созревание тРНК). тРНК – они явно старше белкового синтеза. Нек. вирусы исп. тРНК как праймеры для репликации своих РНК-геномов.

76 Возможно, в РНК-мире на концах молекул РНК, подлежащих репликации,

Возможно, в РНК-мире на концах молекул РНК, подлежащих репликации,

находились тРНК-подобные структуры-праймеры. Они отрезались у молекул, «работающих» активными рибозимами. Отрезанные («мусор») оказывались свободны для приобретения новых функций. Например, удерживания АК.

Схема обратной транскрипции ретровирусного генома с использованием клеточной тРНК в качестве праймера (PBS – primer binding site).

77 Сначала: специфический синтез пептидов (генетический код, механизм

Сначала: специфический синтез пептидов (генетический код, механизм

трансляции) Позже: ДНК (преимущества: 1) не режет сама себя – поэтому молекула может быть очень длинной, 2) спонтанное дезаминирование Ц сразу заметно, 3) устойчивее к гидролизу – т.к. нет 2’ –OH группы, это слабое место РНК

В дальнейшем РНК-организмы последовательно приобрели два важных усовершенствования:

78 Рибосома

Рибосома

79 Происхождение жизни
80 Рибосома

Рибосома

81 «А-минорное» взаимодействие: аденозин укладывается в малый желобок

«А-минорное» взаимодействие: аденозин укладывается в малый желобок

А-минорное» взаимодействие: аденозин укладывается в малый желобок двойной спирали с образованием четырех водородных связей.

Вторичная структура молекулы 23S-рРНК. Голубыми линиями показаны А-минорные связи, желтыми кружками — «стопки» аденозинов, красными — двойные спирали, участвующие в А-минорных связях. Домены с первого по шестой обозначены римскими цифрами. 5', 3' — концы молекулы. Видно, что в домене V много красных кружков и почти нет желтых.

Konstantin Bokov, Sergey V. Steinberg. A hierarchical model for evolution of 23S ribosomal RNA // Nature. 2009. V. 457. P. 977–980.

82 Исходной «проторибосомой», с которой началась эволюция рибосомы, был

Исходной «проторибосомой», с которой началась эволюция рибосомы, был

сходной «проторибосомой», с которой началась эволюция рибосомы, был каталитический центр молекулы 23S-рРНК, ответственный за соединение аминокислот. Рибозимы, похожие на «теоретически вычисленную» проторибосому, действительно способны соединять друг с другом аминокислоты.

83 Этапы эволюции рибосомы

Этапы эволюции рибосомы

Красным цветом выделена проторибосома, сиреневым — малая субъединица. 4 — выходной канал для синтезируемого белка.

84 Проторибосома не связывала мРНК и не могла контролировать

Проторибосома не связывала мРНК и не могла контролировать

последовательность пептида. Это был простейший пептидил-трансферазный рибозим. Он синтезировал пептиды случайного состава без помощи мРНК (но с помощью прото-тРНК, вероятно). Мог ли такой примитивный белковый синтез улучшать выживание рибозимов? Да! Небольшие пептиды связываются с двухцепочечной РНК таким образом, что защищают ее от гидролиза щелочами и ферментами-РНКазами. Пептид случайной последовательности или гомополимер одной аминокислоты (напр., аргинина или лизина) уже обеспечивает заметную защиту. Типичнейший элемент вторичной структуры белка – альфа-спираль – хорошо ложится в малый желобок двухспиральной РНК и прикрывает ее «уязвимые» для гидролиза места.

Альфа-спираль поли-аланина (виды с разных сторон)

85 «Гонка вооружений» рибозимов-хищников и рибозимов-жертв могла

«Гонка вооружений» рибозимов-хищников и рибозимов-жертв могла

стимулировать развитие белкового синтеза

С появлением размножающихся рибозимов нуклеотиды стали дефицитным ресурсом. Некоторые рибозимы стали получать их, гидролизуя соседей. В таких условиях защитный пептид мог обеспечить большое преимущество и, главное, спровоцировать «гонку вооружений». «Хищные» рибозимы стали приобретать пептидазную активность, «жертвы» отвечали на это изменением и усложнением состава аминокислот в защитных пептидах. На этом пути стал адаптивным переход от случайного или простого регулярного чередования аминокислот к сложным последовательностям. мРНК появились для упорядочивания последовательности обработки проторибосомой несущих аминокислоты тРНК (появившихся намного раньше).

86 E. Koonin

E. Koonin

The logic of chance.

87 Происхождение жизни
88 Белки, ныне необходимые для трансляции, постепенно эволюционировали

Белки, ныне необходимые для трансляции, постепенно эволюционировали

еще задолго до того, как появился механизм трансляции современного типа (использующий все эти белки). Следовательно, РНК-организмы имели достаточно эффективный механизм белкового синтеза, который обходился без этих белков (очевидно, их заменяли рибозимы).

89 Появление белкового синтеза расширило спектр доступных ниш

Появление белкового синтеза расширило спектр доступных ниш

Заселили разные слои геотермальных отложений сульфида цинка. Осваивали гетеротрофный и хемоавтотрофный варианты метаболизма. Белковая RdRp сняла с рибозимов необходимость катализировать собственную репликацию и позволила увеличить количество генетической информации. Жизнь перешла из двумерной формы адсорбированных на минеральной поверхности полимеров к трехмерной форме — скоплениям биополимеров во впадинах и полостях минеральных отложений, затянутых примитивными мембранами. Появились первые структуры, похожие на клетки — мембранные пузырьки, плавающие в воде. Они поначалу были расселительными стадиями плоских, сидящих на минералах прото-организмов. Геном прото-организмов состоял, вероятно, из множества разных молекул РНК, одно- или двухцепочечных, линейных и кольцевых. Сразу после появления системы коллективной репликации должны были начать плодиться всевозможные эгоистичные генетические элементы. Вирусы тоже, скорее всего, появились очень рано. (с) М. Никитин

90 Приобретение ДНК (РНК-организмом, уже имевшим белковый синтез)

Приобретение ДНК (РНК-организмом, уже имевшим белковый синтез)

РНК-организм: Репликация РНК (RdRp)

Бактерии, археи: транскрипция (DdRp) + репликация ДНК (DdDp)

Данные сравнительной геномики позволяют отчасти реконструировать LUCA . Похоже, у LUCA уже была ДНК, но еще не было репликации ДНК. ДНК производилась путем обратной транкрипции на матрице РНК. Обратная транскриптаза может и достраивать одноцепочечную ДНК до двухцепочечной (на рисунке в центре). (Leipe et al., 1999)

LUCA: Репликация РНК (RdRp) (утрачивается) + обратная транскрипция (RT) + транскрипция (DdRp)

91 Вирусы сопровождали клеточную жизнь со времен РНК-мира

Вирусы сопровождали клеточную жизнь со времен РНК-мира

Скорее всего, «изобретателями» ДНК, обратной транскрипции и репликации ДНК были вирусы. ДНК устойчивее, что важно для распространения вирионов. Эксперименты с НК полезны вирусам для защиты от хозяйских нуклеаз. Малые геномы терпимее к высокой частоте мутаций, что неизбежно при экспериментах с новыми полимеразами. Организмы приобрели всё это путем заимствования вирусных генов («молекулярного одомашнивания»).

92 Реконструкция белков и рРНК LUCA и последних общих предков бактерий и

Реконструкция белков и рРНК LUCA и последних общих предков бактерий и

архей показало, что LUCA был мезофилом, а последние общие предки бактерий и архей – термофилами. Boussau et al., 2008. Parallel adaptations to high temperatures in the Archaean eon // Nature. V. 456. P. 942-945

93 LUCA

LUCA

Реконструируется на основе сравнения геномов современных организмов. Имел ДНК, транскрипцию. Но не имел репликации ДНК. Т.к. ДНК-полимеразы у бактерий и архей не родственны друг другу, а другие ферменты для работы с ДНК – родственны. Ферменты для синтеза тимина тоже неродственны, т.е. ДНК у LUCA была еще с урацилом. Имел мембрану, но какую-то другую. Возм., мембраны изначально служили для расселения плоских РНК-организмов, распластанных на поверхности минералов. Имел не менее 1300 белковых семейств (как у современных прокариот; многовато для такого древнего примитивного существа). Очень много биохим. путей, в т.ч. таких, которые у совр. организмов не встречаются вместе. Скорее всего, он был не одним организмом, а целым сообществом, в котором шел активный ГПГ. Из-за активного ГПГ отдельные компоненты этого сообщества для нас уже неразличимы, и LUCA реконструируется как нечто цельное.

«Происхождение жизни»
http://900igr.net/prezentacija/biologija/proiskhozhdenie-zhizni-127871.html
cсылка на страницу

Возникновение жизни

20 презентаций о возникновении жизни
Урок

Биология

136 тем
Слайды