Молекула, которая умеет размножаться

Как на нашей планете появилась жизнь — не просто загадка, а загадка совершенно особого сорта. К некоторым проблемам науки люди привыкли относиться легкомысленно: мол, ученые еще немного поработают и выведут правильную формулу, надо только подождать.

С жизнью не так: эта тайна прямо-таки подталкивает многих к тому, чтобы допустить вторжение в природу сверхъестественных сил. Таких тайн, собственно, всего три, и замечательный астроном и популяризатор Иосиф Шкловский в свое время исхитрился втиснуть их все в название своей книги «Вселенная, жизнь, разум». Люди гуманитарного склада любят рассуждать о том, что в библейском рассказе о сотворении мира именно в этих трех местах был употреблен особый глагол, — будто бы с намеком, что уж тут-то вы ни за что не сможете опошлить непознаваемую тайну творения своими жалкими попытками свести сложное к простому, а мистику — к науке.

Тем не менее, ученые очень въедливо работают по этим трем направлениям, и сегодняшняя наша история касается второго из них — происхождения жизни. Один из важных элементов тайны — возникновение молекул, способных самовоспроизводиться. В 1953 году Уотсон и Крик нашли одну такую молекулу — ДНК. В первоначальной эйфории многим, включая авторов открытия, показалось, что дело в шляпе и тайна жизни раскрыта. Но затем к красивой идее добавились некоторые детали, которые все испортили. Оказалось, что ДНК не может самовоспроизводиться (то есть реплицироваться) без помощи белков. Но этим белкам неоткуда взяться, если они не закодированы ДНК. А чтобы ДНК могла кодировать хоть что-то осмысленное, она должна подвергнуться естественному отбору, что абсолютно невозможно, если она не умеет реплицироваться. Этот тупик тогда тоже многим показался безвыходным.

Но совсем скоро выход был найден — он получил название «мир РНК». Оказалось, что очень многие важнейшие биологические процессы, например, синтез белков или регуляция активности генов — осуществляются молекулами, о которых когда-то думали, что это просто технический посредник между геном и белком. Тут же выяснилось, что РНК порой способна катализировать химические реакции, о которых тогда думали, что без белков-ферментов они невозможны. Наконец, РНК может служить матрицей для производства той самой волшебной ДНК, на которой основано самовоспроизведение большинства современных организмов. Окинув взглядом все эти факты, в 1968 году Карл Вёзе предложил свою идею: а что если РНК и была той самой молекулой, которая первой научилась сама себя реплицировать и тем самым вступила на эскалатор естественного отбора, вознесший ее ко всем последующим этажам небоскреба жизни?

Увы, невозможно поставить опыт и понять, как там все складывалось, когда зарождалась жизнь. Она, похоже, возникла всего один раз, и повторить этот фокус никому пока не удалось. Поэтому «мир РНК» так навсегда и останется гипотезой. Однако уже сейчас у этой гипотезы нет практически никаких разумных альтернатив. А потому те противоречия, которыми она страдает, не дают покоя очень многим биологам.

Вот одно из противоречий. Чтобы РНК стала способна катализировать химические реакции — например, воспроизводить саму себя — ее цепочка нуклеотидов должна свернуться в сложную трехмерную структуру. Такие структуры, называемые «рибозимами», были получены биохимиками еще в 1980-х, а в 1989 году Томас Чек и Сидни Олтмен получили за это нобелевскую премию. К 2010 году удалось получить рибозим, способный реплицировать цепочку РНК из 95 звеньев-нуклеотидов. Этого в принципе было бы вполне достаточно для примитивной самоподдерживающейся цепной реакции, если бы не одно обстоятельство: такие рибозимы могли копировать только линейную цепочку РНК. Но при этом сами они непременно должны быть свернуты в трехмерную фигуру. Таким образом, реплицировать себя самого или своих собратьев рибозим никак не сможет. Этот парадокс и взялись разрешить Филипп Холлигер из Кембриджа и его коллеги.

Кембриджские биохимики пошли необычным путем. Они не стали копировать то, что происходит в современных клетках, а уж тем более гадать, какие условия могли быть на древней Земле, когда на ней зародилась жизнь. Этот путь уже многих завел в тупик. В свое время академик Опарин бил молниями по смеси метана с аммиаком, которая якобы похожа на древнюю атмосферу, и даже получил органические молекулы. Да вот беда: потом оказалось, что ни метана, ни аммиака в первобытной атмосфере планеты практически не было. Гадать о том, что там было на самом деле, не стоит по двум причинам: во-первых, палеогеохимики еще могут устроить какую-нибудь революцию в своей дисциплине. А во-вторых, раз уж жизнь возникла всего один раз, она вообще не обязана была делать это в типичных условиях. Она могла воспользоваться каким-нибудь редким стечением обстоятельств, какое нам сейчас сложно вообразить. Будем рассуждать по-другому: а какие обстоятельства нам вообще могли бы пригодиться, чтобы получить ту самую цепную реакцию из РНК, которая воспроизводит сама себя? Выбираем любые, ни в чем себе не отказываем.

Вот что выбрала команда Филиппа Холлигера: все должно происходить в ледяной каше при температуре минус семь градусов по Цельсию. Именно в таких условиях в тонких пленках раствора между кристалликами льда все складывается наилучшим образом для репликации РНК. Но главное условие в том, чтобы в среде присутствовали не только отдельные звенья-нуклеотиды, но и готовые кусочки из нескольких звеньев. Такие кусочки вполне могли образоваться в условиях известной древней геохимии, да и температура чуть ниже нуля не слишком экзотична.

И вот все получилось: исследователям удалось получить рибозим, который умеет распутывать подобные себе молекулы, реплицирует их, а затем позволяет им свернуться обратно в требуемую структуру.

Доктор Холлигер подчеркивает, что он не пошел на поводу у современной живой природы и не стал имитировать процессы, которые происходят в клетках. А за это получил совершенно неожиданный бонус. Выяснилось, что его рибозим может собирать собственные копии из кусочков разной длины. Однако самая лучшая точность получается, если взять за основу кусочки в три нуклеотида длиной.

Именно три нуклеотида — длина «слова» в современном словаре жизни, то есть размер кодона, в котором зашифрована одна аминокислота белковой цепочки. На клеточной белковой фабрике — рибосоме — матричная РНК движется по сборочному конвейеру как раз такими шагами, по три нуклеотида за раз. Рибозим Холлигера и его коллег шагает ровно так же широко, не быстрее и не медленнее. Кембриджские биохимики ничего такого не заказывали; это получилось само. И, конечно, это может быть совпадением — одним из тех, которые уже не раз заводили биологов в лабиринт ложных рассуждений. Ну а может быть и так, что исследователи набрели на что-то очень важное в истории происхождения жизни на планете. Как раз такие совпадения и породили когда-то надежду, что вся эта история рано или поздно будет распутана.

Прошу занести в протокол: мы тут совершенно не собирались портить настроение тем, кому нравится думать, что без сверхъестественного вмешательства жизнь на Земле возникнуть не могла. Но если уж вы ищете в природе свидетельства присутствия высшего разума, лучше сосредоточиться на разумности, гармонии и красоте этого мира. Искать следы высших сил в проявлениях человеческого невежества — например, в том, что до сих пор не удалось понять, как именно возникла жизнь — как-то оскорбительно для этих самых высших сил. Если уж им вздумается намекнуть о своем присутствии в мире, они наверняка найдут лучший способ, чем просто тыкать нас носом в наше незнание. Тем более теперь, когда это незнание медленно, но неуклонно отступает на всех фронтах. Высшие силы совсем не рады невежеству: это мистическое откровение, видимо, и составляет главный импульс развития науки.

Источник