В гипотезах о возникновении жизни появились новые факты

Первой «Молекулой Жизни» на Земле могла быть не ДНК, не РНК, а соединение, недавно обнаруженное учеными в цианобактериях.

Ключевым событием зарождения жизни на Земле стало появление молекул способных к самовоспроизведению (репликации), то есть, передаче генетической информации потомству. Все живые существа на Земле (за исключением нескольких групп вирусов, о принадлежности которых к живым существам, правда, до сих пор ведутся оживленные дискуссии), как и все вымершие существа, которые удалось к настоящему моменту обнаружить, обладают ДНК-геномами, а их фенотип определяется кодируемыми в этих геномах разнообразными РНК и белками. Тем не менее, есть весомые причины полагать, что появлению ДНК-белкового мира три с половиной миллиарда лет назад предшествовали более простые формы жизни, основанной на РНК.

Согласно гипотезе, окончательно сформированной Уолтером Гильбертом в 1986 году, во время эпохи, называемой «миром РНК», передаваемая генетическая информация кодировалась в молекулах РНК, а фенотип проявлялся в ряде каталитических свойств РНК. Однако детали работы таких примитивных генетических систем до сих пор остаются загадкой.

Недавно была предложена гипотеза о существовании еще более ранних, чем РНК-организмы, форм жизни, согласно которой генетическая информация в первых живых системах могла передаваться при помощи так называемых пептидных нуклеиновых кислот (ПНК). Такие гипотетические полимерные молекулы ПНК, в частности, могли быть построены из мономеров N-(2-аминоэтил)глицина (АЭГ). Полимерные цепи ПНК, построенные на основе АЭГ (см. рисунок), синтезированы и активно исследуются. В частности, ряд фармацевтических компаний изучает возможность их медицинского применения в качестве «генетических глушителей», блокирующих работу определенных генов.
Однако для принятия этой оригинальной гипотезы до недавнего времени существовало весьма серьёзное препятствие  –  аминоэтилглицин в природе не обнаруживался.

И вот, группа американских и шведских ученых опубликовала в авторитетном журнале PLoS ONE результаты своей работы, в которой им удалось выявить присутствие АЭГ в некоторых цианобактериях. Это открытие является поистине неожиданным и может привести к пересмотру наших представлений о зарождении жизни на Земле.
Цианобактерии – одни из наиболее примитивных живых организмов, фотосинтетические грамотрицательные бактерии; на ранних этапах существования нашей планеты они были одними из наиболее важных продуцентов атмосферного кислорода. Наиболее древние окаменелые останки цианобактерий, обнаруженные в раннеархейских слоях породы в Западной Австралии, датируются 3,5 миллиардами лет назад. Цианобактерии – организмы-космополиты; некоторые их представители, например Prochlorococcus и Synechococcus, составляют значительную часть океанического пикопланктона, другие – населяют экстремальные экосистемы, такие как геотермальные источники, гиперсоленые озера и вечную мерзлоту.

Авторы решили исследовать содержание АЭГ в стерильных культурах штаммов цианобактерий из коллекции Института Пастера. (АЭГ обнаружили в восьми штаммах из всех пяти морфологических групп, относящихся как к азотфиксирующим, так и не способным фиксировать азот цианобактериям.) Содержание АЭГ в этих штаммах было довольно существенным и составляло от 281 до 1717 нг/г общей массы бактерий. Для подтверждения наблюдения ученые измеряли содержание АЭГ у цианобактерий, обитающих в естественных условиях водоемов пустынь Монголии, морей Катара и рек Японии, и обнаружили, что содержание АЭГ в них в среднем даже выше, чем в стерильных культурах.

Геномы двух из исследованных штаммов (Nostoc PCC 7120 и Synechocystis PCC 6803), по счастью, оказались полностью расшифрованными, что позволило авторам соотнести уровень содержания АЭГ со степенью филогенетического родства цианобактерий. Оказалось, что, несмотря на то, что их геномы совпадали всего на 37%, уровень продукции АЭГ у этих штаммов был примерно одинаков. Наряду со способностью всех пяти морфологических групп цианобактерий синтезировать АЭГ, этот факт говорит о том, что способность продуцировать АЭГ является высоко консервативной и эволюционно примитивной особенностью этих организмов.

Метаболические функции и эволюционная роль АЭГ пока остаются неизвестными. Тем не менее, полученные результаты позволяют, по крайней мере, не отвергать соблазнительную гипотезу, что присутствие АЭГ в цианобактериях можно образно назвать «эхом» наиболее ранних этапов зарождения жизни на Земле, до появления «РНК-мира».

Иллюстрации: 1. Цианобактерия Nostoc под микроскопом. Крупные клетки – гетероцисты, в которых происходит фиксация азота. 2. АЭГ [N-(2-аминоэтил)глицин] – малая молекула, способная к формированию цепи пептидной нуклеиновой кислоты (ПНК) путем полимеризации. A – мономер АЭГ. B – предполагаемая роль АЭГ в формировании цепей ПНК. Три остатка АЭГ соединены с нуклеотидными основаниями (Base) ацетильной связью. С – предполагаемый паттерн фрагментации производного АЭГ 6-аминохинолил-N-сукцинимидил-карбамата (соотношение масса/заряд, m/z, – 459) в результате столкновительно-индуцированной диссоциации, приводящей к образованию дочерних ионов с соотношением масса/заряд (m/z) 171, 214, 289 и 119.

Источник: Sandra Anne Banack, James S. Metcalf, Liying Jiang, Derek Craighead, Leopold L. Ilag, Paul Alan Cox. Cyanobacteria Produce N-(2-Aminoethyl)Glycine, a Backbone for Peptide Nucleic Acids Which May Have Been the First Genetic Molecules for Life on Earth. PLoS ONE 7(11): e49043. doi:10.1371/journal.pone.0049043