Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Первые слова

Первые слова

Уберите из генома E. coli новые гены — выскочек, обеспечивающих сопротивляемость к пенициллину и другим лекарствам. Уберите более старые гены, которые E. coli приобрела в течение миллионов лет после отделения от других бактерий. Удалите более глубокие слои — те, что отвечают за строительство жгутиков, и те, которые к настоящему моменту настолько разрушены, что ни на что не годны. Удалите гены, отвечающие за муреиновый мешок, за сенсоры, регистрирующие появление пищи и опасности, за фильтры и усилители. Избавьтесь от генов, кодирующих белки, которые присутствовали еще у последнего общего предка всех живых организмов около 4 млрд лет назад.

Что же у вас останется? Не подумайте, что чистый лист. По — прежнему останется целый ряд отдельных загадочных кусочков ДНК. Это не совсем обычные гены. E. coli использует их для синтеза РНК, но никогда не использует эту РНК для производства белков. Эти гены — аналог первого, самого древнего текста на нашем палимпсесте. Ученые подозревают, что многие из них — следы древнейших организмов, существовавших на Земле до появления ДНК.

Сырье, которое использует жизнь, ничем не отличается от обычной безжизненной материи. Углерод, фосфор и другие элементы, входящие в состав нашего тела, возникли в глубинах звезд. Многие необходимые для жизни химические вещества могут быть созданы без ее участия. Полетав немного по Солнечной системе, можно было бы собрать на метеоритах и кометах немало аминокислот, формальдегида и других соединений, найденных в организме живых существ. Многие из этих веществ вошли в состав нашей планеты при ее формировании 4,5 млрд лет назад; позже их доставляли на Землю и постоянно падающая комическая пыль, и — время от времени — более крупные куски камня или льда. Сама планета работала как огромный химический реактор: калила, смешивала, фильтровала эти вещества, производя, вероятно, из них новые соединения, тоже необходимые для жизни; они присутствовали на Земле задолго до того, как появилась сама жизнь. Но есть великая тайна, которая из века в век привлекает к себе внимание ученых: как именно в этом реакторе появилась жизнь такая, какой мы ее знаем, — вместе с закодированной в двойной спирали ДНК информацией, РНК и белками.

В 1960–е гг. ученые, разобравшись более или менее с основами молекулярной биологии, пришли к единому мнению о том, что все три типа молекул не могли возникнуть на безжизненной Земле одновременно. Но какие появились первыми? Пусть ДНК — прекрасное хранилище информации, но без участия белков и РНК это всего лишь необычная нитевидная молекула. С другой стороны, белки выполняют невероятное количество функций, они способны захватывать проплывающие мимо атомы, штамповать новые молекулы или делить уже существующие молекулы на части. Но они не слишком подходят для хранения информации о строительстве белков и для передачи этой информации следующим поколениям.

В середине 1960–х гг. Фрэнсис Крик и его кембриджский коллега химик Лесли Оргел провели немало часов в размышлениях о происхождении жизни. Оба ученых пришли к одному и тому же принципиальному выводу — тому же самому, к какому самостоятельно пришел и Карл Вёзе. Может быть, ДНК и белки появились на Земле намного позже, чем жизнь? Возможно, до ДНК и белков существовала жизнь, основанная только на РНК?

В то время предположение ученых звучало довольно дико. Считалось, что основная роль РНК в клетке сводится к роли посыльного и заключается в доставке информации от генов к рибосомам, где собираются молекулы белков. Но Крик, Оргел и Вёзе обратили внимание на то, что в экспериментах на E. coli молекулы РНК выполняют и другие функции. Рибосома, к примеру, и сама состояла из нескольких десятков белков и нескольких молекул РНК. Еще одна разновидность РНК, именуемая транспортной, помогала присоединять очередную аминокислоту к концу растущей молекулы белка. Возможно, предположили ученые, РНК обладает скрытой способностью к той химической акробатике, к которой так хорошо приспособлены белки? Может быть, именно РНК первой из трех молекул возникла на безжизненной Земле, причем одни ее разновидности играли роль ДНК, а другие — белков? Может быть, ДНК и белки появились позже и оказались более приспособленными для хранения информации и организации химических реакций соответственно?

Много лет спустя Крик и Оргел признались, что после публикации в 1968 г. идея первичной РНК не получила никакого развития. Не было никаких серьезных доказательств того, что РНК обладает достаточной гибкостью и может, подобно белкам, служить катализатором химических процессов. Прошло 15 лет, прежде чем ученые начали всерьез размышлять над этой гипотезой. Через год после того, как Крик предложил свою гипотезу жизни, основанной на РНК, в Кембридж приехал молодой канадский биохимик по имени Сидней Олтмен; вместе с Криком он начал исследовать транспортную РНК. Олтмен обнаружил, что при синтезе транспортной РНК E. coli приходится отрезать от нее кусочек, чтобы молекула работала правильно. Олтмен назвал участвующий в этом процессе фермент рибонуклеазой Р (сокращенно РНКаза Р). В Кембридже, а затем и в Йельском университете Олтмен медленно и терпеливо препарировал рибонуклеазу Р, выясняя ее структуру. Он с удивлением узнал, что на самом деле это химера: наполовину белок, наполовину РНК. Исследователи выяснили, что ферментное лезвие, которое непосредственно перерезает молекулу транспортной РНК, представляет собой тоже РНК — РНК без всякой примеси. Олтмен обнаружил молекулу РНК, которая ведет себя как фермент, — нечто, о чем прежде никто и никогда не сообщал.

В 1989 г. Олтмен разделил Нобелевскую премию с биохимиком Томасом Чехом, работающим в настоящее время в Колорадском университете. Чех обнаружил аналогичную странную РНК у одноклеточного эукариота Tetrahymena thermophila, обитающего в прудах. В отличие от прокариот, эукариотам приходится вырезать большие куски РНК из разных участков молекулы, прежде чем ее можно будет использовать для синтеза белков. Как правило, куски эти вырезают белки, которые строятся с помощью матричной РНК. Но Чех обнаружил, что некоторые молекулы РНК у Tetrahymena способны разрезать себя сами, без какой бы то ни было помощи со стороны белков. Они просто складываются точно в нужном месте и отрезают сами от себя бесполезные части.

Открытия Чеха и Олтмена наглядно продемонстрировали, что РНК может быть гораздо более гибкой и многофункциональной, чем предполагалось ранее. Многие биологи вновь обратились к провидческим идеям Крика, Оргела и Вёзе. Возможно, РНК действительно могла когда?то играть роли и генов, и ферментов? Может быть, еще до появления ДНК и белков на Земле существовало то, что Уолтер Гилберт из Гарварда назвал «миром РНК»?

Если когда?то давным — давно живые существа на базе РНК бороздили земные океаны, то у них молекулы РНК должны были обладать намного большим числом функций, чем те, которые обнаружили Олтмен и Чех. Некоторые из них должны были исполнять функции генов — хранить информацию и передавать ее следующим поколениям. Другие — извлекать информацию из этих генов и использовать ее для строительства других молекул РНК, которые, в свою очередь, должны были исполнять функции ферментов. Эти рибозимы, как их назвали, должны были уметь поглощать энергию и питательные вещества, а также осуществлять репликацию генов.

Гипотеза о существовании мира, основанного на РНК, подтолкнула ученых к тщательному исследованию эволюционного потенциала этой загадочной молекулы. В 1990–е гг. биохимик Рональд Брейкер из Йельского университета предпринял попытку сконструировать основанные на РНК сенсоры. Он рассуждал так: эти сенсоры должны работать примерно как детекторы сигналов E. coli — уметь захватывать определенные молекулы или атомы, а затем изменять свою форму таким образом, чтобы вступать в реакции с другими молекулами бактериальной клетки.

Брейкеру не пришлось самому придумывать такие сенсоры — вместо этого он воспользовался творческой силой эволюции. Он поместил смесь различных молекул РНК в колбу и добавил туда химическое вещество, которое его сенсор, по задумке, должен был регистрировать. Несколько РНК — молекул неуклюже присоединились к молекулам вещества, остальные никак на него не отреагировали. Брейкер выловил эти несколько молекул и растиражировал их во множестве экземпляров. Копировал он намеренно небрежно, так что иногда последовательность нуклеотидов в молекулах слегка менялась. Иными словами, его РНК мутировала. Когда Брейкер подверг эти мутировавшие молекулы РНК действию все того же химического вещества, некоторые из них смогли более эффективно связываться с его молекулами. Брейкер многократно повторил цикл мутирования и отбора, и в конце эксперимента молекулы РНК у него связывались с молекулами заданного химического вещества в мгновение ока.

В ходе дальнейших экспериментов ученому удалось получить молекулы РНК, способные не только связываться с нужными молекулами, но и изменять при этом свою форму. Они оказались способны играть роль фермента и резать пополам другие молекулы РНК. По сути дела, Брейкер создал молекулу РНК, способную ощущать некие изменения в окружающей среде и на базе полученной информации совершать те или иные действия с молекулами РНК. Он назвал ее РНК — переключателем, или рибо- переключателем.

В последующие годы Брейкер, продолжая свои исследования, собрал большую библиотеку рибопереключателей. Одни из них реагируют конкретно на кобальт, другие — на антибиотики, третьи — на ультрафиолет. Способность эволюционировать и превращаться в рибопереключатели самого разного назначения может служить косвенным подтверждением теории о существовании «мира РНК». Затем у Брейкера появилась новая идея. Если теория «мира РНК» верна, то позже многие функции были переданы от молекул РНК белкам и молекулам ДНК. Но, может быть, РНК отказалась не от всех своих прежних обязанностей? Может быть, рибопереключатели уцелели кое — где у основанных на ДНК организмах? В самом деле, в некоторых случаях РНК — сенсоры могут оказаться лучше белковых. Рибопереключатели синтезировать проще, отмечал Брейкер, потому что клетке для этого достаточно просто считать ген и изготовить его РНК — копию.

Брейкер и его студенты начали планомерные поиски природных рибопереключателей. Через несколько месяцев им удалось обнаружить один из них у E. coli. С его помощью бактерия определяет количество витамина В₁₂. Дело в том, что E. coli производит собственный В₁₂, который необходим ей для жизни. Но сверх определенной концентрации этот витамин становится бесполезным. Брейкер обнаружил, что рибопереключатель E. coli связывается с витамином В₁₂ и, когда это происходит, сворачивается таким образом, что может после этого заблокировать фермент, отвечающий за его производство. Более красивого рибопереключателя не придумал бы и сам Брейкер!

Позже Брейкер обнаружил немало других рибопереключателей в клетках E. coli, а затем и в клетках самых разных видов. Судя по всему, большинство из них поддерживают нужный уровень различных химических веществ, при необходимости мгновенно выключая гены. После того как Брейкер открыл рибопереключатели, другие ученые обнаружили, что молекулы РНК выполняют у E. coli и другие функции. Одни из них при необходимости блокируют определенные гены, другие, наоборот, включают. Некоторые не дают определенным молекулам РНК участвовать в процессе синтеза белков, в то время как другие поддерживают баланс железа. Ряд молекул РНК обеспечивают связь E. coli с другими микроорганизмами, помогают противостоять голоду. Молекулы РНК образуют скрытую управляющую сеть, контуры которой лишь теперь начинают проявляться. С обнаружением этой скрытой сети теория «мира РНК» стала казаться еще более убедительной.

И все же споры о том, как именно появилась на Земле жизнь, основанная на РНК, и каким образом из нее на следующем этапе развилась ДНК — жизнь, и не думают стихать. Некоторые ученые утверждают, что РНК могла появиться на Земле непосредственно из неживого. К примеру, ее рибозный «остов» в принципе мог сформироваться в пустынных озерах, где благодаря присутствию солей борной кислоты создаются условия, в которых неустойчивые молекулы рибозы способны сохранять стабильность десятилетиями. Другие исследователи склоняются к мысли, что еще до этого должны были возникнуть какие?то другие реплицирующиеся вещества и что «мир РНК» был всего лишь одним из этапов развития.

РНК — жизнь, как и вообще любые живые организмы, должна была как?то отграничивать себя от окружающего мира. Некоторые ученые считают, что РНК — организмы не формировали собственных мембран, а просто жили в крохотных порах океанских скал. По мере репликации молекул РНК их новые копии могли распространяться на соседние полости, все дальше и дальше. Другие ученые полагают, что РНК — жизнь существовала в более привычных для нас формах — в виде клеток. Они даже пытаются создать подобные организмы в пузырьках с искусственными фосфолипидными оболочками, способными захватывать молекулы РНК. Их стратегия — изобрести практический способ зарождения жизни, доказав тем самым его возможность.

Вероятно, искусственное создание форм жизни, в основе которой лежит РНК, если оно окажется возможным, не должно быть предметом опасений. Большинство специалистов полагает, что такая жизнь сможет существовать только в замкнутом пространстве лаборатории, поскольку жизнь, базирующаяся на ДНК, намного превосходит ее в эволюционном плане. Но это не означает, что формы жизни, основанные на ДНК, полностью отказались от наследия своих предков. Для некоторых задач РНК и сегодня подходит лучше прочих химических веществ; именно поэтому она до сих пор сохранила управление E. coli и другими видами. В каком?то смысле можно сказать, что «мир РНК» никуда не исчез. Он и сегодня вокруг нас.