Основните характеристики на полимерните молекули, като техния състав и композиция на субединиците им, са достатъчни, за да задействат процесите на селекция в правдоподобна пребиотична обстановка, демонстрира екип физици от Университета „Лудвиг Максимилиан“ в Мюнхен.
Преди да се появи животът на Земята, много физикохимични процеси на нашата планета са били силно хаотични. Множество малки съединения и полимери с различна дължина, съставени от субединици (като базите, открити в ДНК и РНК ), са присъствали във всякакви възможни комбинации. Преди да се появят химични процеси подобни на тези в живите организми, е било необходимо да се намали нивото на хаос в тези системи. В новото проучване физиците от Университета „Лудвиг Максимилиан“ (LMU), водени от Дитер Браун (Dieter Braun), показват, че основните характеристики на простите полимери, заедно с някои аспекти на пребиотичната среда, могат да доведат до процеси на селекция, които намаляват неорганизираността.
В предишни публикации изследователската група на Браун изследва как е могъл да се развие пространствен ред в малки пълни с вода камери в порести вулканични скали на морското дъно. Тези проучвания показват, че при наличието на температурни разлики и процес на термодифузия, известен като ефект на Соре, РНК веригите могат да се натрупват локално на няколко реда в зависимост от дължината.
„Проблемът е, че базовите последователности на по-дългите молекули, които получаваме, са напълно хаотични“, отбелязва Браун.
Еволюиралите рибозими (базирани на РНК ензими) имат много специфична последователност на базите, която позволява на молекулите да се сгънат в определени форми, докато по-голямата част от олигомерите (къси едноверижни фрагменти от нуклеинови киселини като ДНК и РНК), образувани на младата Земя, най-вероятно са имали случайни последователности.
„Общият брой на възможните последователности на базите, известни като „пространство на последователностите“, е невероятно голям,“ обяснява Патрик Кудела (Patrick Kudella), водещ автор на новата статия.
„Това прави практически невъзможно да се сглобят сложните структури, характерни за функционалните рибозими или сравними молекули, чрез чисто случаен процес.“
Това кара екипа на LMU да предположи, че разширяването на молекулите, за да образува по-големи „олигомери“, е предмет на някакъв механизъм на предварителен подбор.
Моделна система за ранните олигомери
Тъй като по времето на Произхода на живота е имало само няколко, много прости физични и химични процеси в сравнение със сложните репликационни механизми на клетките, изборът на последователности трябва да се основава на околната среда и свойствата на олигомерите. Тук се включват изследванията на групата на Браун.
За каталитичната функция и стабилността на олигомерите е важно те да образуват двойни вериги като добре известната спирална структура на ДНК. Това е елементарно свойство на много полимери и позволява комплекси както с дву-, така и с едноверижни части. Едноверижните части могат да бъдат реконструирани чрез два процеса. Първо, чрез така наречената полимеризация, при която веригите се допълват от единични бази, за да се образуват цялостни двойни вериги. Другият процес представлява, т. нар. лигиране. В този процес по-дългите олигомери се обединяват. Така се формират както двуверижни, така и едноверижни части, които позволяват по-нататъшен растеж на олигомера
„Нашият експеримент започва с голям брой къси ДНК вериги и в нашата моделна система за ранни олигомери използваме само две допълващи се бази, аденин и тимин“, разказва Браун.
„Предполагаме, че лигирането на вериги с произволни последователности води до образуването на по-дълги вериги, чиито последователности на базите са по-малко хаотични.“
След това групата на Браун анализира смесите от последователности, получени в тези експерименти, използвайки метод, който се използва и при анализ на човешкия геном. Тестът потвърди, че ентропията на последователностите, т.е. степента на разбърканост (неподреденост) във възстановените последователности, всъщност намалява при тези експерименти.
Външно молекулите РНК и ДНК си приличат, ДНК (вдясно) образува структура, подобна на стълба (с двойки нуклеотидни бази като стъпала и захарни молекули отстрани), а РНК (вляво) оформя нещо, подобно на половин стълба. Информацията се записва от 4 „букви” - нуклеотиди, за ДНК са аденин, цитозин, гуанин и тимин, а за РНК са аденин, цитозин, гуанин и урацил.
Поява на живот от хаоса
Изследователите също така успяват да идентифицират причините за този „самогенериран“ ред. Те откриват, че по-голямата част от получените последователности попадат в два класа - със състав от бази или от 70% аденин и 30% тимин, или обратно.
„При значително по-голям дял от една от двете бази веригата не може да се сгъне и остава като реагиращ партньор за лигирането“, обяснява Браун.
По този начин в реакцията почти не се образуват нишки с половината от всяка от двете бази.
"Виждаме също как малките смущения в състава на групата от къси ДНК оставят различни зависими от позицията модели (патерни), особено в дългите вериги", разказва Браун.
Резултатът изненадва изследователите, тъй като верига от само две различни бази със специфично базово съотношение има ограничени възмосности да проявяват разлики.
„Само специални алгоритми могат да открият такива невероятни детайли“, отбелязва Аналена Салдит (Annalena Salditt), съавтор на изследването.
Експериментите показват, че най-простите и фундаментални характеристики на олигомерите и тяхната среда могат да осигурят основата на процеси на селекция. Дори в опростена моделна система могат да влязат в действие различни механизми за подбор, които оказват влияние върху растежа на веригите в различни мащаби и са резултат от различни комбинации от фактори. Според Браун тези механизми за подбор са били предпоставка за образуването на каталитично активни комплекси като рибозими и следователно са играли важна роля във възникването на живота от хаоса.
Справка: “Structured sequences emerge from random pool when replicated by templated ligation” by Patrick W. Kudella, Alexei V. Tkachenko, Annalena Salditt, Sergei Maslov and Dieter Braun, 16 February 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2018830118
Източник: Emergence of Life From Chaos – Did Darwinian Evolution Begin Before Life Itself?, Scitech daily
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари