![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
najasДесятого мая в ЕМБЛе была очередная лекция из серии Vision 2020. Это серия лекций, открытых для публики, на которых нобелевские лауреаты популярно рассказывают о своих исследованиях (а после этого - кормят сыром и поют вином, тоже пустячок, а приятно).
Видео некоторых прошлых лекций из этой серии можно найти по ссылке:
http://www.embl.de/research/seminars/vision2020/index.html
Майская лекция Джека Шостака называлась Learning About the Origin of Life from Efforts to Design an Artificial Cell (Что работы про создание искусственной клетки рассказывают о происхождении жизни).
Для того, чтобы сделать живую (то есть попадающую под действие естественного отбора) клетку, нужно несколько условий.
1) Клетка должна быть отделена от окружающей среды - нужна мембрана.
2) Клетка должна расти.
3) Клетка должна уметь делиться.
4) Клетка должна уметь кодировать и воспроизводить свои свойства - нужна наследственная информация и нужна некоторая ферментативная активность (для прото-жизни и то, и другое, видимо, обеспечивалось РНК). При этом воспроизведение должно происходить не со стопроцентной точностью - иначе не будет работы для естественного отбора.
В лаборатории Шостака работают по всем этим направлениям. Цель - определить, какими должны быть минимальные условия, в которых запустится процесс самоорганизации и эволюции и, в идеале, создать искусственную клетку в пробирке. До создания искусственной клетки еще далеко, но прогресс уже впечатляющий.
Итак, что же сделано?
1) Клеточная мембрана.
В современных клетках основу клеточных мембран составляет двойной фосфолипидный слой. Фосфолипиды состоят из полярной фосфатной «головы» и неполярных «хвостов» из жирных кислот. Полярная часть взаимодействует с водой (и другими полярными растворителями), а неполярные части - друг с другом. Благодаря этому фосфолипиды образуют сравнительно стабильные структуры, например пузырьки, в воде.
Фосфолипиды - сложные молекулы. Поэтому в лаборатории Шостака попытались сделать мембраны из чего-нибудь попроще. Например, просто из недлинных жирных кислот, безо всяких голов. Оказалось, что это тоже работает, и такие жирные кислоты в воде самоорганизуются в слои и пузырьки. При этом получившиеся мембраны менее стабильны, чем фосфолипидные. Составляющие их молекулы жирных кислот легко отделяются от пузырька или присоединяются к нему. Если добавить в воду еще жирных кислот, пузырьки начнут расти. Большие пузырьки поглощают малые. Поскольку внешний слой пузырька в таких условиях будет расти быстрее внутреннего, растущий пузырек по форме будет похож не на шарик, а на замкнутую, иногда даже разветвленную, трубочку. А трубочку гораздо легче разделить на несколько частей, чем шарик. В эксперименте выросшие пузырьки-трубочки делились просто от движения воды (таким образом, удовлетворяется третье условие).
Как уже было сказано, большие пузырьки поглощают малые. Интересно, что если добавить в систему фосфолипиды, то пузырьки, в состав которых входят фосфолипиды, успешнее поглощают окружающие пузырьки. Таким образом, отбор на повышение содержания фосфолипидов в мембранах может быть очень эффективным. Но фосфолипидные мембраны гораздо менее проницаемы для разных веществ, чем прото-мембраны. Таким образом, вместе с повышением процента фософлипидов мембране потребуются специфические каналы и транспортеры.
4) (пункты не по порядку) Наследственная информация
В современных клетках наследственная информация закодирована в двухцепочечных молекулах ДНК, а ее воспроизведение и реализация обеспечивается за счет работы белкового аппарата (свойства которого, собственно, в ДНК и закодированы). Считывание информации с ДНК и перекодировка ее в белки работает за счет другой нуклеиновой кислоты - РНК. В принципе, РНК может быть и единственным носителем генетической информации (так бывает у некоторых вирусов, например полиомиелита и гепатита А), но ДНК - гораздо более стабильная молекула. Зато РНК может катализировать химические реакции (эта функция в современных клетках по большей части закреплена за белками).
Поскольку молекулы РНК могут содержать и хранить наследственную информацию в виде последовательности нуклеотидов, и, в принципе, могут эту информацию реализовывать, катализируя те или иные химические реакции, сейчас считается, что прото-жизнь скорее всего возникла именно на основе РНК.
Не буду углубляться в детали относительно того, что сделали в лаборатории Шостака на тему репликации. В двух словах: они перебрали кучу разных модификаций РНК, и нашли такие, которые самопроизвольно реплицируются. Пока это все равно очень медленный процесс (порядка 15 нуклеотидов за 6-24 часа), но самое главное - они прошли точку, в которой процесс синтеза новой РНК становится быстрее, чем процесс деградации.
2) Репликацию наследственной информации и прото-мембраны совместили. Правда, пока эксперимент сделали не с модифицированной РНК, а с ДНК.
ДНК способна реплицироваться внутри пузырька из прото-биотической мембраны. При этом в результате повышения локальной концентрации соли внутри мембраны, внутрь пузырька нагнетается вода, и пузырек растет.
(Третий пункт, про деление прото-клетки, был упомянут внутри первого)
Таким образом, в очередной раз снижен порог сложности, пройдя который самоорганизующаяся структура попадает в поле действия естественного отбора. И хотя до создания искусственной клетки еще далеко, и на пути к нему остается много проблем, работы последних лет показывают, что самозарождение жизни совсем не так загадочно, как казалось несколько десятилетий назад.
Видео некоторых прошлых лекций из этой серии можно найти по ссылке:
http://www.embl.de/research/seminars/vision2020/index.html
Майская лекция Джека Шостака называлась Learning About the Origin of Life from Efforts to Design an Artificial Cell (Что работы про создание искусственной клетки рассказывают о происхождении жизни).
Для того, чтобы сделать живую (то есть попадающую под действие естественного отбора) клетку, нужно несколько условий.
1) Клетка должна быть отделена от окружающей среды - нужна мембрана.
2) Клетка должна расти.
3) Клетка должна уметь делиться.
4) Клетка должна уметь кодировать и воспроизводить свои свойства - нужна наследственная информация и нужна некоторая ферментативная активность (для прото-жизни и то, и другое, видимо, обеспечивалось РНК). При этом воспроизведение должно происходить не со стопроцентной точностью - иначе не будет работы для естественного отбора.
В лаборатории Шостака работают по всем этим направлениям. Цель - определить, какими должны быть минимальные условия, в которых запустится процесс самоорганизации и эволюции и, в идеале, создать искусственную клетку в пробирке. До создания искусственной клетки еще далеко, но прогресс уже впечатляющий.
Итак, что же сделано?
1) Клеточная мембрана.
В современных клетках основу клеточных мембран составляет двойной фосфолипидный слой. Фосфолипиды состоят из полярной фосфатной «головы» и неполярных «хвостов» из жирных кислот. Полярная часть взаимодействует с водой (и другими полярными растворителями), а неполярные части - друг с другом. Благодаря этому фосфолипиды образуют сравнительно стабильные структуры, например пузырьки, в воде.
Фосфолипиды - сложные молекулы. Поэтому в лаборатории Шостака попытались сделать мембраны из чего-нибудь попроще. Например, просто из недлинных жирных кислот, безо всяких голов. Оказалось, что это тоже работает, и такие жирные кислоты в воде самоорганизуются в слои и пузырьки. При этом получившиеся мембраны менее стабильны, чем фосфолипидные. Составляющие их молекулы жирных кислот легко отделяются от пузырька или присоединяются к нему. Если добавить в воду еще жирных кислот, пузырьки начнут расти. Большие пузырьки поглощают малые. Поскольку внешний слой пузырька в таких условиях будет расти быстрее внутреннего, растущий пузырек по форме будет похож не на шарик, а на замкнутую, иногда даже разветвленную, трубочку. А трубочку гораздо легче разделить на несколько частей, чем шарик. В эксперименте выросшие пузырьки-трубочки делились просто от движения воды (таким образом, удовлетворяется третье условие).
Как уже было сказано, большие пузырьки поглощают малые. Интересно, что если добавить в систему фосфолипиды, то пузырьки, в состав которых входят фосфолипиды, успешнее поглощают окружающие пузырьки. Таким образом, отбор на повышение содержания фосфолипидов в мембранах может быть очень эффективным. Но фосфолипидные мембраны гораздо менее проницаемы для разных веществ, чем прото-мембраны. Таким образом, вместе с повышением процента фософлипидов мембране потребуются специфические каналы и транспортеры.
4) (пункты не по порядку) Наследственная информация
В современных клетках наследственная информация закодирована в двухцепочечных молекулах ДНК, а ее воспроизведение и реализация обеспечивается за счет работы белкового аппарата (свойства которого, собственно, в ДНК и закодированы). Считывание информации с ДНК и перекодировка ее в белки работает за счет другой нуклеиновой кислоты - РНК. В принципе, РНК может быть и единственным носителем генетической информации (так бывает у некоторых вирусов, например полиомиелита и гепатита А), но ДНК - гораздо более стабильная молекула. Зато РНК может катализировать химические реакции (эта функция в современных клетках по большей части закреплена за белками).
Поскольку молекулы РНК могут содержать и хранить наследственную информацию в виде последовательности нуклеотидов, и, в принципе, могут эту информацию реализовывать, катализируя те или иные химические реакции, сейчас считается, что прото-жизнь скорее всего возникла именно на основе РНК.
Не буду углубляться в детали относительно того, что сделали в лаборатории Шостака на тему репликации. В двух словах: они перебрали кучу разных модификаций РНК, и нашли такие, которые самопроизвольно реплицируются. Пока это все равно очень медленный процесс (порядка 15 нуклеотидов за 6-24 часа), но самое главное - они прошли точку, в которой процесс синтеза новой РНК становится быстрее, чем процесс деградации.
2) Репликацию наследственной информации и прото-мембраны совместили. Правда, пока эксперимент сделали не с модифицированной РНК, а с ДНК.
ДНК способна реплицироваться внутри пузырька из прото-биотической мембраны. При этом в результате повышения локальной концентрации соли внутри мембраны, внутрь пузырька нагнетается вода, и пузырек растет.
(Третий пункт, про деление прото-клетки, был упомянут внутри первого)
Таким образом, в очередной раз снижен порог сложности, пройдя который самоорганизующаяся структура попадает в поле действия естественного отбора. И хотя до создания искусственной клетки еще далеко, и на пути к нему остается много проблем, работы последних лет показывают, что самозарождение жизни совсем не так загадочно, как казалось несколько десятилетий назад.
