Один из авторов концепции РНК-мира, академик А.С.Спирин, опубликовал осенью статью в "Палеонтологическом журнале (№5 2007), в которой он приходит к выводу о невозможности земного происхождения жизни на основе модели РНК-мира. Статья называется "Когда, где и в каких условиях мог возникнуть и эволюционировать мир РНК?"
Ниже я цитирую фрагмент статьи, в котором речь идёт о проблемах этой модели.
АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ РИБОНУКЛЕОТИДОВ
Естественно, что возникновение РНК на Земле относят к раннему периоду существования Солнечной системы и нашей планеты, т.е. к периоду где-то между формированием Солнечной системы – 4,6 млрд. лет назад и временем появления первых свидетельств существования одноклеточных живых организмов – хемосинтезирующих бактерий – 3,6-3,85 млрд лет назад (Schidlowski, 1988, 2002; Schopf, 1993; Mojzsis et al., 1996, 1999; Joyce, 2002; Dobretsov et al., 2006; Rozanov, 2006). Считается, что это было время абиогенных синтезов компонентов нуклеиновых кислот – рибозы, азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина и урацила), рибонуклеозидов, фосфорилированных рибонуклеозидов (рибонуклеотидов) и полирибонуклеотидов. Многочисленные попытки воспроизвести подобные синтезы в лабораториях всего мира на протяжении последних 40 лет в целом ряде случаев были относительно успешными, но, к сожалению, только в отношении первичных компонентов, таких как рибоза, фосфорилированная рибоза и азотистые основания. Уже синтез нуклеозидов из рибозы и оснований оказался мало успешным, а прямого синтеза пиримидиновых нуклеозидов так и не удалось получить (см. обзор Orgel, 2004). Абиогенное фосфорилирование нуклеозидов для получения непосредственных мономерных субъединиц полирибонуклеотидов монорибонуклеотидов – также оказалось проблематичным, особенно в водной среде, в связи с низким выходом реакций и беспорядочным фосфорилированием самых различных групп нуклеозидов, дающим сложную смесь фосфорилированных продуктов вместо требуемых нуклеозид-5'-фосфатов. И совершенно нерешенной проблемой остается хиральность – продукты абиогенных синтезов нуклеозидов неизменно представляют собой рацемические смеси, тогда как для образования настоящих РНК требуется только D стереоизомеры. Заключение, которое можно сделать из всех имеющихся данных, не утешительно: несмотря на все ухищрения и моделирование различных условий первобытной Земли, к настоящему времени не удается воспроизвести полный абиогенный синтез ни одного из нуклеотидов, являющихся компонентами (мономерами) РНК (Orgel, 2004; Joyce and Orgel, 2006).
НЕЭНЗИМАТИЧЕСКАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ НУКЛЕОТИДОВ
Полимеризация нуклеотидов в водной среде – реакция, идущая с поглощением свободной энергии и потому требующая либо внешних активирующих агентов, либо предварительной активации нуклеотидов, например, путем их полифосфорилирования. Все попытки использовать внешние активирующие агенты, такие как цианамид или водорастворимые карбодиимиды, не дали положительных результатов, а спонтанная реакция полимеризации нуклеозид-5'-полифосфатов при разумных температурах и рН оказалась слишком медленной, чтобы представлять интерес для решения проблемы. Нуклеотиды можно активировать фосфорамидатами (фосфоримидазолидами), но их существование в достаточных количествах на первозданной Земле весьма сомнительно. Кроме того, полимеризация нуклеозид-фосфорамидатов дает сложную смесь коротких линейных и циклических продуктов, и даже в присутствии самых успешных катализаторов типа катионов свинца или уранила в образующихся олигорибонуклеотидах мономеры оказываются связанными в основном 2'-5'-связями, вместо 3'-5', требуемых для создания РНК.
Наибольший относительный успех в неэнзиматической полимеризации нуклеотидов был достигнут при применении поверхностных минеральных катализаторов типа глин, в частности монтмориллонита (Ferris and Ertem, 1993; Huang and Ferris, 2003; Ferris et al., 1996, 2004). В этих опытах происходил синтез в водной среде довольно длинных олигорибонуклеотидов (до 40 нуклеотидных остатков) из нуклеозид-фосфорамидатов, с образованием нормальных 3'-5' межнуклеотидных связей. Тем не менее, приходится признать, что и этот успех не решает проблемы неэнзиматической (пре-биотической) полимеризации нуклеотидов в РНК, так как существование фосфорамидатных субстратов на первозданной Земле мало вероятно.
НЕНУКЛЕИНОВЫЙ ПРЕДШЕСТВЕННИК МИРА РНК?
Вышеуказанные проблемы и другие неразрешимые трудности в попытках преодолеть сложности абиогенного синтеза РНК привели многих исследователей, включая одного из пионеров экспериментального решения проблем происхождения РНК – Л. Оргела, – к идее о том, что РНК не возникла сама абиогенным путем, а была «изобретена» другой, более простой генетической системой, предшествовавшей миру РНК, и что этот более ранний мир существовал и эволюционировал при более экстремальных условиях температуры, рН и давления, чем это может быть приемлемо для РНК (Orgel, 2004; Joyce and Orgel, 2006). Выдвигались и продолжают выдвигаться самые разные предположения и модели – от идеи «самовоспроизводящихся минералов» на первозданной Земле (Cairns-Smith, 1982) до самовоспроизводящихся органических полимеров, иных, чем нуклеиновые кислоты, но близких к ним по структуре – например, полимеров с сахарофосфатным каркасом нерибозной природы, снабженным пуриновыми и пиримидиновыми боковыми группами (Eschenmoser, 1999). В качестве возможных полимерных предшественников РНК были предложены также и ныне популярные искусственные аналоги, называемые «пептидными нуклеиновыми кислотами» (ПНК), которые содержат обычные азотистые основания нуклеиновых кислот, но вместо сахарофосфатного остова имеют полипептидный остов (Egholm et al., 1992, 1993). Вышеуказанные полимеры интересны тем, что, они, как и природные нуклеиновые кислоты, способны образовывать двуспиральные структуры посредством комплементарного Уотсон-Криковского спаривания оснований и, следовательно, потенциально способны к самовоспроизведению. Однако, ни один из них не кажется много проще по своей структуре в сравнении с РНК, так что пока ни одного убедительного простого предшественника РНК так и не предложено. Кроме того, представляется мало вероятной и сама замена одной генетической системы на другую в ходе эволюции. Как говорят биологи-эволюционисты, биологическая эволюция носит в основном не субститутивный, а аддитивный характер (Заварзин, 2001): в ходе эволюции «новое не отрицает старое, а согласуется с ним, в некоторых случаях заменяя функции отдельных групп» (Заварзин, 2006a, стр. 167). Так, мир РНК после «изобретения» ДНК и синтеза белков не ушел в небытие: он «надстроился» ДНК, дополнился белками и сохранился как составная часть клеточной организации живых организмов, и не только для репликации генетического материала внутри клетки, а и в качестве лиганд-связывающих макромолекул, катализаторов, регуляторов и других разнообразных функциональных структур, без которых невозможна современная жизнь (Spirin, 2002; Спирин, 2003).
«ВОДНЫЙ ПАРАДОКС»
Каким бы образом ни появилась РНК на Земле, для ее структурирования причем как для формирования двойных спиралей за счет Уотсон-Криковского спаривания азотистых оснований (A:U и G:C), обязательных для воспроизведения, так и для образования компактно свернутых специфических структур, необходимых для выполнения всех негенетических функций нужна вода. Вода стабилизирует двойную спираль, отдельные двуспиральные блоки компактно свернутых одноцепочечных РНК и саму компактную упаковку макромолекул за счет гидрофобных взаимодействий плоскостей колец азотистых оснований. При этом жидкая вода является растворителем для РНК, позволяющим свободные диффузионные перемещения макромолекул РНК при выполнении ими своих функций. С другой стороны, ковалентная полирибонуклеотидная цепь РНК в воде термодинамически нестабильна и спонтанно гидролизуется, особенно при повышении температуры, сдвиге рН и в присутствии катионов ряда ди- и поливалентных металлов. В отличие от ДНК, ей свойственна и кинетическая нестабильность, обусловленная прежде всего природой сахарного компонента ее остова: остаток рибозы несет свободную 2'-гидроксильную группу в цис-положении по отношению к фосфорилированной 3'-гидроксильной группе и может атаковать фосфат, связывающий два рибозных остатка, результатом чего является образование нестабильной триэстерной группировки, спонтанный гидролитический распад которой ведет к разрыву рибозофосфатного остова. Кроме того, в воде, особенно при подкислении, нестабильна связь пуринового основания с остатком рибозы (гидролитическая депуринизация РНК), а при подщелачивании аденин и цитозин легко подвергаются окислительному дезаминированию и превращаются, соответственно, в гипоксантин и урацил. Это и есть так называемый «водный парадокс» (см. Benner et al., 2006).
Можно предположить несколько способов, каким образом РНК на молодой Земле могла бы спасаться от деструктивных воздействий воды как растворителя, особенно при повышении температуры и сдвигах рН. Один способ – это стабилизация РНК на поверхностях некоторых минералов (глин). Этот способ, однако, должен был резко ограничивать подвижность молекул РНК, необходимую им для выполнения своих функций в мире РНК. Поэтому здесь приходиться допустить лишь периодическую временную стабилизацию в перемежающихся циклах фиксации на поверхности и освобождения в жидкую водную фазу (см. Спирин, 2005б). Аналогичным способом мог бы способствовать стабилизации «пустынный» режим – циклы высушивания и увлажнения. По-видимому, можно обсуждать и способ периодического замораживания и оттаивания или даже существования и функционирования РНК на границе фаз льда и жидкой воды.
Предполагался и принципиально иной способ стабилизации РНК на первобытной Земле – замена растворителя, а конкретно – замена воды на формамид, которого могло быть достаточно на ранних стадиях эволюции планеты (см. Benner et al., 2006). Действительно, РНК хорошо растворима в формамиде и вместе с тем термодинамически стабильна. Однако, авторы этой идеи забыли, что для существования и функционирования РНК необходима не только целостность ее ковалентной цепи, но и ее структурирование в двойные спирали и компактные глобулы, а формамид является сильным денатурирующим агентом, в среде которого эти пространственные структуры существовать не могут.
КОНФОРМАЦИОННЫЙ ПАРАДОКС
Поддержание и эволюция мира РНК в любом его вместилище (компартменте) на первобытной Земле – будь то насыщенная органическими субстратами водная лужа с растворенной РНК, или индивидуальная колония молекул РНК на твердой влажной поверхности глины с адсорбированными органическими веществами – требует одновременного присутствия молекул РНК, обладающих различной функциональной активностью, включая (1) лиганд-связывающие РНК для избирательной адсорбции и аккумуляции необходимых веществ из окружающей среды, (2) набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза нуклеотидов и их активированных (фосфорилированных) производных, и (3) рибозимы, катализирующие комплементарную репликацию всех РНК лужи или колонии (Спирин, 2005б). Согласно всем современным данным, эти функции могут выполняться молекулами одноцепочечных РНК, формирующими короткие спиральные участки за счет комплементарного спаривания участков полинуклеотидной цепи (так называемые «шпильки) и компактно свернутые в специфические пространственные структуры. Однако, комплементарная репликация молекул РНК, катализируемая РНК-реплицирующим рибозимом, неизбежно должна приводить к образованию единой двуцепочечной двойной спирали в А-форме, где одна цепь – исходная, а другая – комплементарная ей дочерняя, и эта двуспиральная конформация очень стабильна. Для дальнейшей репликации и размножения исходных (функциональных) цепей РНК эта двойная спираль должна как-то расплетаться, и только тогда каждая ее цепь вновь может служить матрицей для репликации, в том числе и для синтеза новых молекул с исходной последовательностью нуклеотидов на комплементарной цепи, т.е. к воспроизведению. Рибозимы, способные катализировать синтез комплементарных цепей РНК на матрицах одноцепочечных РНК, воспроизведены в лабораторных экспериментах (Johnston et al., 2001; см. также обзор Joyce and Orgel, 2006), но проблема разделения двуцепочечного продукта на индивидуальные цепи остается не решенной (Orgel, 2004). Конечно, нельзя исключать возможность появления рибозимов с активностью РНК-хеликаз, но тогда возникает другая проблема – как уберечь от расплетания локальные двуспиральные участки («шпильки») функциональных одноцепочечных РНК в функционально активной компактной конформации.
По-видимому, для разрешения вышеуказанной проблемы невозможно обойтись без высокотемпературного (вплоть до 90ºС) плавления двойной спирали РНК. Так как при этих температурах ковалентная цепь РНК уже сильно нестабильна, приходится допускать, что для воспроизведения молекул в мире РНК были необходимы весьма существенные циклические колебания температуры с кратковременными нагревами, обеспечивавшими расхождение цепей двуспиральных репликативных интермедиатов, и с последующей фиксацией одноцепочечного состояния в процессе (или после) охлаждения. Как можно было достигнуть такой фиксации в растворе, остается не понятным. Можно лишь опять-таки предполагать, что роль таких «фиксаторов» могли выполнять адсорбирующие поверхности минералов (глин) или какие-то поликатионные полимеры. Следует отметить, что возможное присутствие мочевины в первозданных лужах или других вместилищах воды могло бы снижать температуру плавления двуцепочечных РНК, но при этом нельзя забывать о денатурирующем воздействии мочевины на функциональные конформации одноцепочечных РНК, в том числе на РНК-реплицирующий рибозим.
Итак, парадокс состоит в том, что для функционирования молекул в мире РНК нужна стабильная структура компактно свернутых одноцепочечных полирибонуклеотидов, а для их воспроизведения – структура еще более стабильной двойной спирали и ее последующее плавление, что не совместимо с функционированием РНК в качестве специфических лиганд-связывающих и каталитических агентов, включая РНК-реплицирующие рибозимы.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС
Как следует из всего вышеизложенного, и ковалентная, и конформационная стабильность РНК в водной среде, а следовательно и их функциональная активность, могут быть обеспечены лишь в относительно мягких условиях их существования и в относительно узких интервалах этих условий. Наличие жидкой воды, присутствие диссоциирующих солей в концентрациях, устанавливающих достаточную ионную силу (порядка 0,1), и наличие катионов, хорошо связывающихся с фосфатными группами (Mg+2), являются необходимыми требованиями для обеспечения конформационной стабильности и функциональности молекул РНК, а нейтральный рН и поддержание постоянной температуры не выше 40ºС с возможностью кратковременных прогревов не выше 90º обязательны для сохранения целостности ковалентных связей и, соответственно, всей ковалентной структуры РНК. Сказанное, естественно, относится к изолированной РНК, так как образование ее комплексов с белками, как это имеет место в современных организмах и вирусах, может в значительной степени стабилизировать РНК по отношению к температуре и рН . Таким образом, именно условия современной Земли кажутся наиболее приемлемыми для существования свободного мира РНК2. Но с другой стороны, свободный мир РНК уже не существует на Земле, оказавшись полностью поглощенным и включенным в состав клеточных организмов и вирусов, где он уже не так подвержен колебаниям внешних условий благодаря стабилизирующему действию белкового окружения и внутренней среды.
Очевидно, что свободный мир РНК в принципе не может и не мог сосуществовать с миром микроорганизмов. Прежде всего, превосходство всех метаболических и генетических функций ДНК-РНК-белкового мира над миром РНК, а также превосходство в стабильности по отношению к внешним условиям и их колебаниям, не оставляет никаких шансов последнему в конкуренции за питательные вещества и за жизненное пространство. В дополнение к этому, среда «обитания» мира РНК с ее готовыми метаболитами, да и сами РНК, должны представлять собой идеальный питательный субстрат для микробов.
Таким образом, как уже указывалось, существование свободного мира РНК на Земле приходится отнести далеко в прошлое, к периоду, предшествовавшему появлению первых клеточных организмов (бактерий), т.е. между 4,6 млрд. и 3,6-3,8 млрд. лет тому назад. Однако, согласно современным представлениям о геологической эволюции Земли, в тот период трудно ожидать поддержания столь «тепличных» условий для сохранения молекул РНК, не говоря уж о размножении и эволюции мира РНК. Если даже не учитывать высоких температур, не совместимых с существованием РНК в водной среде, и интенсивного ультрафиолетового и общего космического излучения на поверхности Земли, предполагаемых многими (но далеко не всеми) геологами и астрофизиками для той ранней фазы становления планеты, то все равно остается проблема жесткой метеоритной бомбардировки планет Солнечной системы в период до 3,8 - 3,9 млрд лет назад (Mojzsis et al., 1999). Это был период массового выпадения на уже сформированную Землю в основном тел астероидного пояса, инициированного пролетами Солнца через звездные скопления Галактики и продолжавшегося с высокой интенсивностью в течение нескольких сотен миллионов лет (Баренбаум, 2002; Баренбаум и др., 2007). Считается, что именно эти выпадения привели к появлению на земной поверхности жидкой воды, необходимой для существования жизни. Уже за этим периодом последовали периоды гораздо менее интенсивных бомбардировок нашей планеты галактическими метеоритами и кометами, приносившими воду, углерод и другие необходимые для развития жизни элементы. Интересно, что время прекращения интенсивной метеоритной бомбардировки удивительно близко к времени появления первых свидетельств клеточной жизни на Земле 3,8 (район Исуа в Гренландии; Schidlowski, 1988) и даже 3,85 (остров Акилия, Гренландия; Mojzsis et al., 1996) млрд. лет назад.
Массивная метеоритная бомбардировка, окончившаяся лишь 3,9 млрд. лет назад, делает маловероятным существование мира РНК, да и просто молекул РНК, на Земле до указанного времени. Таким образом, остается весьма узкая временнáя щель порядка 100 млн. лет или менее того для появления, размножения и эволюции мира РНК вплоть до первых высоко организованных организмов – бактерий – с современными сложнейшими молекулярными аппаратами наследственности, белкового синтеза, энергообеспечения и обмена веществ. А по мере уточнения температурных и иных условий на первобытной Земле того времени, с одной стороны, и самых ранних сроков появления клеточных форм жизни, с другой, эта щель имеет тенденцию все более сужаться. В результате многие геологи, палеонтологи и микробиологи вынуждены придти к заключению, что «в геологически документированной истории Земли нет времени для мира РНК и других доклеточных форм жизни» (цит. Rozanov, 2006; см. также Заварзин, 1974; Schopf, 1993; Mojzsis et al., 1999) .
