Стародавні молекули РНК могли працювати з амінокислотами без сторонньої допомоги.
Гіпотеза РНК-світу - одна з найпопулярніших серед гіпотез про походження життя на Землі. Вона відштовхується від того, що одна з головних ознак життя - це передача спадкової інформації з урахуванням змін, які в ній відбулися. Нуклеїнові кислоти цілком підходять на роль «першопредків»: вони інформацію зберігають, вони можуть її копіювати, і в тій інформації, яка в них зберігається, можливі зміни - мутації, які можуть бути корисними, нейтральними або шкідливими. Однак, якщо говорити про ДНК, то їй для копіювання все-таки потрібна допомогою білків. А ось РНК сама здатна бути ферментом, сама може здійснювати певні хімічні реакції, і, як показали експерименти, молекули РНК цілком здатні нарощувати рибонуклеотидний ланцюг, тобто РНК може синтезувати РНК.
Будівельним матеріалом для РНК служать інші молекули: фосфорна кислота, вуглеводи та азотисті підстави (які служать буквами генетичного коду). Останні дослідження говорять нам про те, що вони цілком могли з'явитися з неорганічної сировини або ж їх могли принести на Землю метеорити. Але одними нуклеїновими кислотами справа ж не обмежилася. Потім з'явилися білки, на яких зараз тримається майже вся клітинна біохімія. Ті ж білки зараз займаються копіюванням нуклеїнових кислот і синтезом інших білків. Є гіпотези, за якими білки могли виникнути самі по собі, причому без якихось екстремальних умов. Але як би вони не з'явилися, вони повинні були почати взаємодіяти з нуклеїновими кислотами. Причому взаємодіяти дуже тісно: все-таки зараз у нас інформація про білки закодована в саме ДНК і РНК, послідовності амінокислот відповідає послідовність генетичних букв.
Співробітники Мюнхенського університету імені Людвіга і Максиміліана описують в Nature, як це могло статися. Справа в тому, що азотисті підстави - аденін (А), тимін (Т), гуанін (Г), цитозин (Ц) і урацил (У) замість тіміна в РНК - нерідко отримують хімічні модифікації, і в такому модифікованому вигляді сидять у ланцюгах нуклеїнових кислот. Якщо говорити про РНК, то модифіковані «букви» є, наприклад, у рибосомах. Так називають великі молекулярні машини, які зайняті синтезом білка у всіх живих клітинах. Кожна рибосома - це складний комплекс, в якому на каркасі спеціальних рибосомних РНК сидить безліч рибосомних же білків.
Інформацію для синтезу білка рибосому зчитує з іншої РНК, матричної (мРНК) - вона їде по мРНК і зчитує послідовність букв, яка кодує той чи інший білок. При цьому амінокислоти для синтезу білка в рибосому приносять інші спеціалізовані РНК - транспортні, або тРНК. У загальних рисах виходить наступна картина: транспортна РНК з тією чи іншою амінокислотою стикається з ділянкою матричної РНК, і якщо до рибосоми прийшла потрібна тРНК з потрібною амінокислотою, вона цю амінокислоту приєднує до зростаючого білкового ланцюга. Причому тут модифіковані азотисті підстави в рибосомній РНК? При тому, що вони стабілізують взаємодію між двома іншими РНК, транспортною та матричною.
Деякий час тому вдалося показати, що букви з модифікаціями теж можна синтезувати з неорганічної сировини. Також вдалося продемонструвати, що модифіковані літери можуть безпосередньо з'єднуватися з амінокислотами. І ось зараз виявилося, що РНК з модифікованими літерами можуть самі, без допомоги білків, конструювати невеликі пептиди з окремих амінокислот.
Дослідники синтезували невеликі РНК, на кінці у яких сиділи модифіковані азотисті підстави. РНК були парними, тобто вони були взаємнокомплементарними. Генетичні літери можуть з'єднуватися один з одним водневими зв'язками, аденін (А) з тіміном (Т) або з урацилом (У), гуанін (Г) з цитозином (Ц) - кажуть, що вони комплементарні один одному. Дві нуклеїнові кислоти (або дві ділянки в межах однієї нуклеїнової кислоти) можуть легко злипнутися один з одним, якщо у них відповідні послідовності букв.
В експерименті одна РНК врешті мала модифіковану букву А, до якої приєднувалася амінокислота. У іншої РНК на кінці була модифікована У. Коли обидві РНК з'єднувалися, А опинялася поруч з У, і амінокислота перескакувала з А (букви-донора) на У (букву-акцептор). Потім молекули гріли, і під дією температури РНК розходилися. Після охолодження до РНК-акцептора, яка продовжувала утримувати отриману амінокислоту, приходила нова РНК-донор - теж комплементарна, теж здатна з нею злипнутися, але з іншою амінокислотою на модифікованій А. І тепер нова амінокислота також перестрибувала на РНК-акцептор, але перестрибуючи, вона з'єднувалася з першою амінокислотою від попередньої чіпниці, яку до РНК ноЧЧЧЧЧКЧПКРПТР. Тепер на РНК сиділи дві амінокислоти - і їх число можна було таким способом довести аж до п'ятнадцяти.
П'ятнадцять амінокислот - це вже невеликий пептид, синтезований без всякої рибосоми, зусиллями голих РНК. Тобто стародавні РНК цілком могли навчитися працювати з амінокислотами, з'єднуючи їх у пептиди. До речі, амінокислоти і пептиди, які утворювалися на модифікованих літерах, посилювали зв'язок донорної та акцепторної РНК один з одним. Тобто з'являються білки могли зі свого боку направляти розвиток РНК, наприклад, допомагаючи їм нарощувати свою довжину. Про генетичний код тут поки мова не йде, але в принципі білок-синтезуючі РНК могли поступово виробити якесь відношення до тих чи інших пептидів, так що РНК з певними послідовностями були б схильні синтезувати пептиди з певним амінокислотним складом, а далі молекулярне співтовариство могло розвиватися в бік складних ферментативних машин і справжнього генетичного коду.