ЖИЗНЬ ЗАРОДИЛАСЬ В ГЛИНЕ?

 

Есть разные глины, которые различаются по своим свойствам. Есть каолинит и монтмориллонит. Они, с одной стороны, похожи по внешнему виду, но с другой стороны, сильно различаются по своим свойствам (табл. 1). В частности, удельная поверхность монтмориллонита па два порядка больше, чем у каолинита, и емкость по ионному обмену тоже гораздо больше, примерно на порядок (Еремин, 2004). То есть глина — это не просто пористое вещество, а ионообменник. Монтмориллонит — это слоистый алюмосиликат. Расстояние между слоями в сухом виде 1-2 нм, а при набухании (пропитывании водой) увеличивается в несколько раз, что объясняет большую сорбционную емкость монтмориллонита. При этом расстояние между слоями становится сопоставимым с размерами наномолекул.

Оказалось, что благодаря своим ионообменным и сорбционным свойствам, слоистые глины могут концентрировать нуклеотиды из окружающего пространства. Если 50 мг глины (это 20 микролитров, то есть одна пятидесятитысячная часть литра) добавить к одному литру 15 мкМ AMP, то в пределах суток на этом количестве глины окажется адсорбировано от 10 % (в присутствии Na) до 90 % (в присутствии Mg²⁺) AMP (Ferris, Ertem, Agarwal, 1989). Иными словами, объем, в котором находился нуклеотид, уменьшился в пятьдесят тысяч раз. Следовательно, имеет место пятидесятитысячекратное концентрирование нуклеотидов на глине по сравнению с тем, что было в окружающей среде, то есть локальная концентрация нуклеотида в глине самопроизвольно в присутствии ионов Mg²⁺ может возрасти до 0.5 М. Это совсем другие концентрации, чем используются в экспериментах с липосомами [5 мМ (Mansy et al., 2008)].

Далее оказалось, что слоистые алюмосиликаты могут сорбировать с высоким сродством полинуклеотиды, при этом сорбционная способность (аффинность) полинуклеотида зависит от того, в присутствии какого катиона проводится эксперимент (Franchi, Ferris, Gallon, 2003). Особенно хорошо алюмосиликаты адсорбируют полинуклеотиды в присутствии кальция и магния. Если концентрация катиона 1 мМ или выше, то одноцепочечные РНК или ДНК сорбируются па глине полностью.

 

Таблица 1. Сравнение свойств слоистых алюмосиликатов (по Ferris, Ertem, Agarwal, 1989)

 

Важно, что глины имеют большее сродство к одноцепочечным молекулам, чем к двуцспочсчным (Franchi, Ferris, Gallon, 2003). Это может иметь отношение к механизму репликации полинуклеотидов, поскольку тем самым стабилизируется одноцепочечное состояние, которое и является реплицируемым. Иными словами, глины могут выполнять роль SSB-белков (single strand-binding protein), которые участвуют в репликации ДНК и препятствуют отжигу комплементарных цепей, связываясь с ними.

Более того, оказалось, что глины не только адсорбируют нуклеотиды и полинуклеотиды, но и катализируют безматричную полимеризацию нуклеотидов. В присутствии 10-нуклеотидного праймера на глине происходит спонтанное образование РНК длиной до 40 нуклеотидов и больше, если в качестве субстрата реакции используют активированное производное AMP — фосфоримидазолид аденозина. Это при том, что в отсутствие глины максимально синтезируемая длина — 10 нуклеотидов, причем, в основном, обнаруживаются только динуклеотиды, потому что скорость полимеризации только в 10 раз выше скорости спонтанного гидролиза полирибонуклеотидов (Ferris et al., 1996). Если же активировать нуклеотиды не имидазолом, а метиладенином, то РНК длиной 40 нуклеотидов образуются на глине в пределах 8 часов (Huang, Ferris, 2006). Это существенно более высокие скорости, чем при полимеризации нуклеотидов в липосомах (Mansy et al., 2008). Интересно, что до 80 % продуктов синтеза представлены РНК, в которых нуклеотиды связаны между собой 3’—5′ связями. Это очень важно, так как именно такие связи присутствуют в нормальных природных РНК.

Большинство этих экспериментов было сделано в лаборатории Джеймса Ферриса (James P. Ferris), который также показал, что глина придает процессу полимеризации нуклеотидов определенную хиральную селективность. Так, при использовании рацемической смеси D-и L-энантиомеров фосфоримидазолида аденозина для синтеза олигонуклеотидов, на монтмориллоните образуется соответственно в 1.3, 1.6 и 2.1 раз больше гомохиральных димеров (D,D и L,L), тримеров (D,D,D и L,L,L) и тетрамеров (D,D,D,D и L,L,L,L), чем статистически ожидаемая доля (Joshi, Pitsch, Ferris, 2007). Иными словами, при удлинении синтезируемого полинуклеотида его гомохиральность усиливается.

Наконец, недавно сделаны интересные наблюдения о поведении монтмориллонита по отношению к простым органическим молекулам. Если метанол нагревать при 300 °С и 1000 атм, то он разлагается в отсутствие монтмориллонита, но сохраняется в его присутствии. Более того, в этих условиях монтмориллонит катализирует образование из метанола других, более сложных соединений. Отсюда авторы предположили, что в определенную геологическую эпоху в монтмориллоните могли образовываться предшественники РНК и других биополимеров (Williams et al., 2005). Также монтмориллонит может защищать адсорбированные рибозимы от разрушения ультрафиолетовым излучением (Biondi et al., 2007). Возможно, этому есть простое объяснение: то, что глина непрозрачна для ультрафиолета.

Таким образом, существует много свидетельств в пользу того, что монтмориллонит мог служить чем-то вроде инкубатора для простых и сложных органических молекул, своего рода «первичной маткой» [primordial womb (Williams et al., 2005)] для жизни на Земле. В этой связи интересно, что монтмориллонит не только повсеместно распространен на Земле, но и обнаружен в составе метеоритов, а также на Марсе (Poulet et al., 2005).

Все указанные свойства делают монтмориллонит идеальной средой для образования и роста молекулярных колоний в мире РНК: он гидрофилен, содержит необходимого размера поры и обладает способностью концентрировать на себе субстраты для синтеза РНК. Более того, монтмориллонит способен был, в отсутствие клеточной мембраны, решить проблему совместного наследования разных видов РНК, составляющих смешанную молекулярную колонию и обладающих взаимодополняющими функциями (Спирин, 2005а, б). Действительно, колония, выросшая на монтмориллоните, может размножаться путем выветривания (отделения частиц) минерала. Множество молекул РНК, адсорбированных на одной оторвавшейся микрочастице глины, будут перенесены вес вместе в другое место и там дадут начало новой колонии, содержащей все необходимые для ее роста виды РНК.

Теперь вернемся клипосомам. На каком-то этапе эволюции вокруг биомолекул должны были образоваться липидные мембраны, чтобы дать начало современным клеткам. Оказывается, монтмориллонит мог и здесь сыграть важную роль, потому что он в 100 раз ускоряет формирование липосом из эмульсии липидов. Более того, частицы монтмориллонита, способные нести на себе нуклеотиды, РНК и ДНК (см. выше), оказываются включенными внутрь липосом, то есть окружаются липидной мембраной (Hanczyc, Fujikawa, Szostak, 2003).

Здесь я хочу высказать предположение, что липидная мембрана вокруг реплицирующихся молекул (РНК, ДНК) образовалась на более поздних стадиях эволюции, тогда, когда стал возможен синтез хотя бы коротких полипептидов, подобных антибактериальным (антимикробным) пептидам — цекропипу, магаинину и т. д. (Wang Z., Wang G., 2004). Это короткие (20-40 аминокислотных остатков) α-спиральные пептиды, способные образовывать поры в липидных мембранах, экспонируя свои гидрофобные поверхности внутрь мембраны, а гидрофильные — внутрь поры (Hallock, Lee, Ramamoorthy, 2003). Такие поры могли решить проблему проницаемости мембраны липосом для низкомолекулярных веществ и, тем самым, обеспечить потребности синтеза биополимеров внутри липосом.

 

 

ВЫВОДЫ

 

1. В настоящее время осуществим полностью химический синтез генома, содержащего набор всех генов, необходимых для функционирования клетки. Однако отсутствует экспериментальная модель для сборки жизнеспособных клеток de novo.

2. Наноколонии (молекулярные колонии) могли бы стать такой экспериментальной моделью. Они являются функциональными аналогами клеток, позволяющими осуществлять сборку клеточных компонентов и проверять, какой вариант сборки обеспечивает полноценную экспрессию генома:

— обеспечивают компартментализацию этих компонентов,

— способны осуществлять различные биохимические реакции, составляющие всю цепочку экспрессии генов,

— позволяют добавлять и убирать компоненты путем простого пропитывания геля (поскольку они лишены оболочки),

— удобны для скрининга (расположены в одной плоскости),

— обеспечивают связь генотипа и фенотипа, что необходимо для естественного отбора,

— способны эволюционировать, то есть образовывать новый генетический материал, который затем может быть экспрессирован.

3. Наноколонии, растущие в глине, могли быть формой компартментализации на первых этапах эволюции в мире РНК и в процессе становления белкового мира. Монтмориллонит, один из видов глины, способен обеспечивать все условия, необходимые для роста, эволюции и размножения колоний РНК, а также для их трансформации в клетки, окруженные липидной мембраной:

— концентрировать из окружающей водной среды и стабилизировать активированные рибонуклеотиды,

— катализировать полимеризацию рибонуклеотидов,

— обеспечивать относительную хиральную однородность синтезированных полирибо-нуклеотидов (РНК),

— иммобилизовать РНК — как матрицы, так и их копии, не давать им уходить в окружающий раствор,

— более прочно связывать однотяжные РНК, чем двутяжные, что стабилизирует способное к репликации состояние,

— компартментализовать РНК в отсутствие липидных мембран (формировать колонии РНК),

— удерживать рядом разные виды РНК, которые могли бы создавать смешанную колонию, и обеспечивать их совместное наследование,

— формировать липосомы вокруг колоний РНК.

Я благодарен оргкомитету рабочего совещания «Проблемы происхождения жизни» за приглашение выступить с этим докладом, а также моей жене и коллеге Е.В. Четвериной за неоценимую помощь в подготовке рукописи. Работа поддержана грантами РФФИ и программой Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология».

---

Вашим гидом по миру красоты, изящества и стиля станет женский сайт www.bt-lady.com.ua, который поможет Вам оставаться женщиной даже в самые сложные периоды вашей жизни.

---

МОЖНО ЛИ СОБРАТЬ КЛЕТКУ ИЗ ЕЕ КОМПОНЕНТОВ? >>