Для виникнення генетичного коду на Землі повинні були з'явитися відразу і білки, і нуклеїнові кислоти.
Як відомо, в основі життя лежить «співдружність» нуклеїнової кислоти і білка. Нуклеїнові кислоти зашифровують генетичну інформацію (тобто інформацію про будову білків), а білки виконують хімічні реакції, які самі по собі йти не можуть (в тому числі і реакцію копіювання нуклеїнової кислоти).
Іншими словами, білок не може з'явитися без нуклеїнової кислоти, а нуклеїнова кислота - без білка. Але тоді виникає питання, як міг виникнути генетичний код. Все не могло раптом зібратися випадково і заробити: ймовірність випадкової збірки найпростішої системи з білка і нуклеїнової кислоти зникає мала.
Коли кажуть, що білки виконує хімічні реакції, то мають на увазі, що вони їх каталізує, прискорюють. Білки-каталізатори називають ферментами, і їх існує величезна кількість (хоча ферменти - це все-таки не всі білки). Такий успіх на ферментативних теренах обумовлений загальною структурою білкової молекули: як ми знаємо, будь-який білок являє собою довгий ланцюжок з амінокислот, які взаємодіють один з одним, так що ланцюжок починає згинатися і згортатися в досить складну тривимірну структуру.
Саме від тривимірної структури залежить функція білка, і у кожного білка є свій особливий 3D-портрет, так що структура міоглобіну, який утримує кисень в наших м'язах, помітно відрізняється від структури травного ферменту трипсину, що розщеплює інші білки на частини. Більш того, окремі амінокислотні ланцюги можуть взаємодіяти один з одним (як, наприклад, у випадку з гемоглобіном, який формується чотирма молекулами глобину), і функція тут залежить вже від того, як вони взаємодіють. Загалом, білки можна пристосувати для різних реакцій.
А ось нуклеїнові кислоти не можуть каталізувати нічого - у всякому разі, раніше так здавалося. Тому і виникала проблема, хто був на Землі раніше: білки не могли з'явитися без генетичного коду і його носіїв - ДНК і РНК, а нуклеїнові кислоти не могли з'явитися без білків.
Але потім виявилося, що серед РНК є такі, які можуть каталізувати реакцію збірки інших РНК, і що такі каталітичні РНК можна навіть змусити копіювати самих себе. І незабаром виникла гіпотеза світу РНК, згідно з якою РНК на початку еволюції живого обходилися взагалі без білка - одночасно і кодували інформацію, і самі розмножувалися. Білки ж з'явилися пізніше як набагато більш ефективні каталізатори.
Але дослідники з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл і Оклендського університету стверджують, що гіпотеза світу РНК насправді невірна, і що до неї просто занадто звикли, щоб звертати увагу на її слабкі місця і на нові дані, які говорять не на її користь. Автори роботи вважають, що ключова подія в зародженні життя - це не те, що нуклеїнові кислоти «навчилися» самі себе копіювати, а те, що з'явився механізм, який поставив у відповідність певним комбінаціям в нуклеїновій кислоті певні амінокислоти. Іншими словами, найважливіше в зародженні життя - поява генетичного коду, коли генетична інформація дійсно стала інформацією.
За весь час існування гіпотези світу РНК ніхто так і не зміг - навіть приблизно - змоделювати, як випадкова самокопіювана система з нуклеїнових кислот могла стати вищою мірою невипадковою, і як в ній могли з'явитися ті властивості, які є у системи з нуклеїнових кислот і білків. Водночас є сучасні біохімічні та біоінформатичні дослідження, що вказують на те, що нуклеїнові кислоти і білки були разом самого початку, і інформація виникала паралельно і взаємозалежно відразу в двох «носіях».
Як це могло відбуватися, описується в статті в Molecular Biology and Evolution. Чарльз Картер (Charles Carter) і Пітер Віллс (Peter Wills) зосередилася на ферментах аміноацил-тРНК-синтетазах, або арсазах. Вони з'єднують амінокислоти з транспортними РНК (тРНК), які називаються так тому, що приносять потрібні амінокислоти туди, де синтезується білок. Кожну амінокислоту потрібно причепити до її тРНК, і саме цю роботу виконують арсази. Фермент повинен точно дізнатися тРНК і амінокислоту, яку він збирається до неї приєднати; якщо фермент спрацює неточно, то при синтезі білка виникне помилка і білок може виявитися неробочим, а то і взагалі шкідливим.
Тут важливо, що арсази з'єднують тРНК і амінокислоти відповідно до правил генетичного коду: у визначеному місці в молекулах тРНК є послідовності з трьох нуклеотидів, які відповідають тій чи іншій амінокислоті, і фермент повинен розпізнати цю послідовність. Іншими словами, арсази виконують перший етап перекладу генетичної інформації з мови нуклеотидів мовою амінокислот.
Як ми знаємо, амінокислот, з яких синтезуються білки, всього 20 - і стільки ж у клітинах плаває ферментів арсаз, по одній на кожну амінокислоту. Але за структурою вони діляться на дві різні сім'ї, по 10 ферментів у кожній. Кожна сім'я сталася від власного білка-предка, і недавні дослідження тих же Чарльза Картера і Пітера Віллса показали, що обидва білка-предка для кожного сімейства арсаз колись кодував один і той же ген, просто один білок був закодований в ньому в одному напрямку, а інший - в іншому. (Відповідно, ген потрібно було читати в обидва боки.)
Обидва предки зв'язувалися всього лише з двома амінокислотами - і обсяг генетичної інформації обмежувався всього лише двома амінокислотами (нагадаємо, що генетична інформація народжувалася тоді, коли встановлювалася відповідність між послідовністю нуклеотидів і амінокислотою). Але і білки, і нуклеїнові кислоти змінювалися, з'являлися нові арсази, код ускладнювався, нова генетична інформація формувалася під неослабною дією відбору - і головне, що і білки, і нуклеїнові кислоти повинні були еволюціонувати паралельно, і історія арсаз добре це демонструє.
Втім, якими були найперші білки, ми зараз може тільки здогадуватися, і, очевидно, авторам роботи доведеться докласти ще чимало зусиль, щоб переконати всіх у своїх міркуваннях, все-таки «світ РНК» - дійсно дуже і дуже шанована гіпотеза.
З іншого боку, якщо зараз вже відомо, що і білки, і нуклеїнові кислоти як такі могли з'явитися порівняно просто, то у нас все одно залишається проблема виникнення саме генетичного коду. І не виключено, що тут все відбувалося за таким же сценарієм, як з арсазами - незалежно від того, хто виник першим.