Vištienos ir kiaušinio problemos sprendimas – žingsnis arčiau gyvybės kilmės atstatymo “

Miuncheno komanda „Ludwig-Maximilians-Universitaet“ (LMU) parodė, kad nedideli pakeitimaiRNR molekulės (tRNR) leidžia joms susiburti į funkcinį vienetą, galintį eksponentiškai pakartoti informaciją. tRNR yra svarbūs ankstyvųjų gyvybės formų evoliucijos elementai.

Gyvenimas, kurį mes žinome, yra pagrįstas sudėtingu sąveikos tinklu, kuris vyksta mikroskopiniu mastu biologinėse ląstelėse ir apima tūkstančius skirtingų molekulių rūšių. Mūsų kūnuose vienas pagrindinis procesas kartojasi begalę kartų kiekvieną dieną. Atliekant operaciją, vadinamą replikacija, baltymai dubliuoja genetinę informaciją, esančią DNR branduolyje saugomos molekulės – kol jos tolygiai pasiskirsto dviem dukterinėms ląstelėms dalijimosi metu. Tada informacija yra selektyviai nukopijuojama („perrašoma“) į vadinamąsias pasiuntinių RNR molekules (mRNR), kurios nukreipia įvairių baltymų, reikalingų atitinkamam ląstelių tipui, sintezę. Antrasis RNR tipas – pernešanti RNR (tRNR) – vaidina pagrindinį vaidmenį atliekant MRN „transliaciją“ į baltymus. Perkėlimo RNR veikia kaip tarpinės medžiagos tarp MRNR ir baltymų: tai užtikrina, kad aminorūgštis subvienetai, kurie sudaro kiekvieną specifinį baltymą, surenkami atitinkamos mRNR nurodyta tvarka.

Kaip gali atsirasti tokia sudėtinga sąveika tarp DNR replikacijos ir iRNR vertimo į baltymus, kai gyvosios sistemos pirmą kartą vystėsi ankstyvojoje žemėje? Štai klasikinis vištienos ir kiaušinio problemos pavyzdys: genetinei informacijai transkripcijai reikalingi baltymai, tačiau jos sintezė priklauso nuo transkripcijos.

LMU fizikai, vadovaujami profesoriaus Dieterio Brauno, dabar parodė, kaip šią paslaptį būtų galima išspręsti. Jie parodė, kad nedideli šiuolaikinių tRNR molekulių struktūros pokyčiai leidžia autonomiškai sąveikauti, kad susidarytų savotiškas replikacijos modulis, galintis eksponentiškai pakartoti informaciją. Ši išvada reiškia, kad tRNR – pagrindiniai tarpininkai tarp transkripcijos ir transliacijos šiuolaikinėse ląstelėse – taip pat gali būti esminis ryšys tarp replikacijos ir vertimo ankstyvosiose gyvenamosiose sistemose. Taigi jis gali pateikti tvarkingą pirmojo klausimo sprendimą – genetinę informaciją ar baltymus?

Pažymėtina, kad tRNR yra išsaugotos visuose trijuose gyvenimo regionuose, t. Y. Vienaląsčiuose archuose ir bakterijose (neturinčiose ląstelės branduolio) ir eukariotoje (organizmuose, kurių ląstelėse yra tikrasis branduolys), atsižvelgiant į jų eiles ir bendrą struktūrą. Šis faktas pats savaime rodo, kad tRNR yra viena iš seniausių molekulių biosferoje.

Kaip ir vėlesni gyvenimo raidos žingsniai, replikacijos ir vertimo raida – ir sudėtingas jų tarpusavio santykis – nebuvo staigaus vieno žingsnio rezultatas. Tai geriau suprantama kaip evoliucinės kelionės kulminacija. „Pagrindiniai reiškiniai, tokie kaip savireplikacija, autokatalizė, savęs organizavimas ir suskaidymas, tikriausiai vaidino svarbų vaidmenį šiuose įvykiuose“, – sako Dieteris Braunas. “Ir apskritai, tokie fiziniai ir cheminiai procesai yra visiškai priklausomi nuo aplinkos, užtikrinančios pusiausvyros sąlygas, prieinamumo.”

Savo eksperimentuose Braunas ir jo kolegos naudojo abipusiškai vienas kitą papildančių DNR grandinių rinkinį, pagrįstą būdinga šiuolaikinių tRNR forma. Kiekvienas susideda iš dviejų „plaukų segtukų“ (tariamai todėl, kad kiekviena sruoga galėtų iš dalies susijungti su savimi ir suformuoti pailgą kilpos struktūrą), viduryje atskirta informatyvia seka. Aštuonios tokios sruogos gali sąveikauti papildant pagrindo porą ir sudarant kompleksą. Priklausomai nuo centrinių informacinių regionų nustatytų susiejimo modelių, šis kompleksas gali užkoduoti 4 skaitmenų dvejetainį kodą.

Kiekvienas eksperimentas prasidėjo nuo šablono – informacinės struktūros, susidedančios iš dviejų tipų centrinių informacinių sekų, apibrėžiančių dvejetainę seką. Ši serija nustato komplementarios molekulės formą, su kuria ji gali skirtis turimų gijų grupėje. Tyrėjai taip pat parodė, kad modelinę dvejetainę struktūrą galima pakartotinai nukopijuoti, t. Y. Sustiprinti, taikant pasikartojančią temperatūros svyravimų tarp karšto ir šalto seriją. „Todėl galima įsivaizduoti, kad toks replikacijos mechanizmas galėjo įvykti ankstyvosios žemės hidroterminėje mikrosistemoje“, – sako Braunas. Visų pirma vandens tirpalai, įstrigę poringose ​​uolienose jūros dugne, būtų sudarę palankią aplinką tokiems reakcijos ciklams, nes žinoma, kad tokioje aplinkoje vyksta natūralios temperatūros svyravimai, kuriuos sukelia konvekcinės srovės.

Kopijavimo proceso metu papildomos eilutės (paimtos iš molekulių telkinio) yra susietos su informaciniu šablonų eilučių segmentu. Laikui bėgant gretimi šių sruogų segtukai taip pat sujungiami, kad būtų stabilus stuburas, o temperatūros svyravimai skatina stiprėjimo procesą. Jei temperatūra yra padidinta trumpą laiką, šablono sruogos atskiriamos nuo naujai suformuoto pakartojimo ir abu gali būti naudojami kaip šablono eilutės kitame replikacijos etape.

Komanda sugebėjo parodyti, kad sistema gali atlikti eksponentinį replikavimą. Tai yra svarbi išvada, nes ji parodo, kad replikacijos mechanizmas yra ypač atsparus žlugimui dėl kaupiamų klaidų. Faktas, kad pati replikatoriaus komplekso struktūra yra panaši į šiuolaikinių tRNR, rodo, kad ankstyvosios tRNR formos galėtų dalyvauti molekulinės replikacijos procesuose, kol tRNR molekulės neprisiima savo šiuolaikinio vaidmens verčiant pasiuntinių RNR sekas į baltymus. „Šis ryšys tarp replikacijos ir vertimo ankstyvojo evoliucijos scenarijuje galėtų padėti išspręsti vištienos ir kiaušinio problemą“, – sako Alexandra Kühnlein. Tai taip pat gali paaiškinti proto-tRNR būdingą formą ir išaiškinti tRNR vaidmenį, kol jos dar nėra pasirinktos naudoti vertime.

Gyvybės ir darvinistinės evoliucijos kilmės laboratoriniai tyrimai cheminių polimerų lygmenyje taip pat turi reikšmės biotechnologijų ateičiai. „Mūsų ankstyvųjų molekulinės replikacijos formų tyrinėjimas ir ryšio tarp replikacijos ir vertimo atradimas priartina mus prie gyvybės atsiradimo atstatymo“, – apibendrina Braunas.

Nuoroda: 2021 m. Kovo 2 d. Alexandra Kühnlein, Simon A Lanzmich ir Dieter Braun „tRNR sekos gali kauptis replikatoriuje“, „eLife“.
DOI: 10.7554 / eLife.63431

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pasiutligė neužkrėstų smegenų, tačiau vis tiek kenčia nuo stiprių nervų pažeidimų.

Koronavirusas II su sunkiais kvėpavimo takų simptomais, Virusas, sukeliantis COVID 19Vargu ar jis bus tiesiogiai perduodamas į smegenis, tačiau vis tiek gali sukelti sisteminę...

Mokslas yra paprastas. Kas yra kvantinis skaičiavimas?

Nuo JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 21 d Lawrence'o Berkeley nacionalinė laboratorija DOE naudoja pažangią aušinimo sistemą - uolekčių, kad kvantinių kompiuterių širdis būtų pakankamai...

Kaip paukštis kvėpuoja geriau? Tyrėjų išvados

Apytikslis „apvalios viščiuko“ su paukščio plaučiais skaičius parodė, kad įkvėpus oro judėjimas pirmyn ir atgal. Kaip iškvėpimai (mėlynos rodyklės) ir iškvėpimai (raudoni) sukelia...

Kalnų gorilos gali naudoti krūtinę, kad perduotų informaciją apie save

Vyriškos gorilos krūtis muša. Autoriai: Jordi Galbany / Diano Fossey Gorilla fondas Skrynios, nukentėjusios nuo kalnų gorilų, kurios greitai muša krūtinę rankomis, kad skambėtų...

Paprastas mokslas: kas yra biokuras?

Parengta JAV energetikos departamentas 2021 m. Balandžio 20 d Mokslininkai fermentavo mieles, kad iš augalų cukrus virstų biodyzelinu. Kreditas: Nuotrauka mandagumo Stephanopoulos Lab Saulės, vėjo ir...

Newsletter

Subscribe to stay updated.