_ Modelul sugerează modul în care ARN-ul antic ar fi putut dobândi capacitatea de auto-taiere esențială pentru viață

Oamenii de știință s-au gândit mult timp la începuturile vieții pe Pământ. O teorie este că ARN-ul, care este omniprezent în toate domeniile vieții, a jucat un rol central în viața timpurie. Similar cu ADN-ul, ARN-ul are capacitatea de a stoca informații genetice. Cu toate acestea, pentru a iniția procesele vieții, ARN-ul timpuriu trebuie să fi posedat și capacitatea de a se auto-replica și de a cataliza independent reacțiile biochimice, fără asistența enzimelor specializate.

Anterior, nu era clar cum ar putea o moleculă acest complex. apar fără precursori. Cu toate acestea, într-un nou studiu publicat în eLife, Alexei Tkachenko, fizician la Brookhaven National Laboratory, și Sergei Maslov (co-lider CAIM/CABBI), profesor de bioinginerie și fizică la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign, își descriu modelul care demonstrează modul în care o astfel de moleculă ar putea câștiga funcționalitate.

"ARN-ul este foarte păstrat în toate organismele. Așadar, este ca o armă de fum că ARN-ul are un punct central în viață", a explicat Tkachenko. „Problema este că ARN-ul modern este foarte fin reglat și complex, așa că am vrut să vedem cum ar putea apărea viața din ceva mult mai simplu.”

În timp ce ARN-ul modern se bazează pe enzime pentru replicare și activitate catalitică, originile dintre aceste enzime rămân un puzzle. Cu toate acestea, descoperirea ribozimelor, molecule de ARN care prezintă proprietăți enzimatice, sugerează o cale plauzibilă pentru apariția polimerilor funcționali timpurii.

Provocarea constă în înțelegerea modului în care aceste molecule de ARN antice ar fi putut poseda capacitatea de a „taia”. " alte molecule, un pas crucial în procesul de replicare a ADN-ului și ARN-ului.

"Experimentele au arătat că o ribozimă de scindare, care se bazează doar pe o mână de baze conservate pentru a-și face treaba, poate apărea spontan cu nicio informație prealabilă, dacă experimentatorul selectează artificial lucruri care decupează alte lucruri”, a spus Tkachenko. „Problema este că nu este clar cum ar alege evoluția ceva care taie lucrurile, în esență selectând o enzimă distructivă.”

Pentru a aborda această întrebare, cercetătorii au conceput un model care simulează moleculele de ARN de bază lipsite de enzimatice. activitate. În cadrul acestui model, a fost permisă ruperea aleatorie a legăturilor, mimând procesele chimice din lumea reală. Cercetătorii au observat că ruperea a dus la mai multe copii ale polimerului care a fost spart, ceea ce înseamnă că moleculele capabile de auto-clivare ar fi fost favorizate de evoluție datorită capacității lor de a se replica.

Maslov a ilustrat acest concept cu un analogie, asemănând procesul cu tăierea unui râme în jumătate, în care ambele jumătăți se regenerează în organisme întregi.

„În principiu, dacă ai vrea să faci mulți râme dintr-un râme, ai începe să-i tai pe rând. unul", a explicat Maslov. „Aceeași idee este motivul pentru care tăierea ar fi selectată în ARN, pentru că atunci când este tăiată, recrește singur din blocuri de construcție individuale. Și aceasta a fost legătura, pentru a explica de ce prima ribozimă a fost selectată pentru a tăia lucrurile - pentru că tăierea este modul în care ARN-ul în mod exponențial. crește.”

Dar cum apare activitatea catalitică dintr-un început atât de simplu? Într-un al doilea model, cercetătorii au demonstrat modul în care moleculele de ARN ar putea evolua în ecosisteme complexe cu proprietăți funcționale, în care diferiți polimeri din aceste ecosisteme se scindează și se reproduc reciproc.

Modelul lor a simulat un grup de lanțuri de polimeri care concurează pentru nucleotide. „blocuri de construcție” și tăierea altor polimeri pe care i-au întâlnit. Lanțurile polimerice se împerechează în moduri specifice (cum ar fi împerecherea nucleotidelor A-T în ADN-ul modern) și, ca atare, lanțurile din simulare au format șablon și catene complementare, lucrând în esență împreună.

„Regulile de împerechere sunt baza modului în care informațiile sunt păstrate și propagate în viitor”, a spus Maslov. „Și este, de asemenea, important pentru funcționare, deoarece dă loc ace de păr în firele care duc la o formă tridimensională, iar acestea sunt cele care sunt capabile de activitate enzimatică.”

Replicarea polimerului în modelul a avut loc pe baza ciclului de temperatură între fazele calde și reci (tipic în ciclurile zi-noapte), sugerând că polimerii antici s-ar fi putut baza pe astfel de cicluri pentru a crește. Suprafețele neorganice, cum ar fi rocile, ar fi putut, de asemenea, să fi facilitat acest proces.

Aceste descoperiri oferă perspective convingătoare asupra apariției și selecției naturale a ribozimelor cu activitate enzimatică, aruncând lumină asupra unui aspect crucial al evoluției timpurii a vieții. Cercetătorii pledează pentru validarea experimentală a modelelor lor pentru a confirma predicțiile lor.

În plus, ei recunosc discrepanța dintre creșterea bidirecțională în modelul lor și creșterea unidirecțională observată în replicarea ADN-ului și ARN-ului în viața reală. Alexei spune că intenționează să continue să ajusteze modelul pentru a vedea dacă pot găsi variații care ar avea ca rezultat o creștere unidirecțională.

„Nu este o coincidență faptul că Carl Woese, după numele institutului nostru genomic, a folosit piese. de ARN ribozomal pentru a-i face arborii vieții", a spus Maslov.

"ARN-ul din ribozomi este universal pentru fiecare organism, de la bacterii la arhee la eucariote ca tine și mine. Această lucrare cu siguranță nu rezolvă problema problema originii vieții, dar umple un mic gol în înțelegerea noastră a modului în care ARN-ul timpuriu ar fi putut funcționa pentru a aduce viață.”

(Fluierul)