30.11.2013 | Наука

Лимоны помогли скопировать генетическую информацию искусственной клетки

Впервые в истории генетики учёным удалось скопировать генетическую информацию в клетке, "запрограммированной" таким образом, чтобы она была похожа на первые простейшие организмы на Земле.

Предыдущие попытки проведения подобного эксперимента оканчивались неудачей, поскольку копирование приводило к разрушению самой клетки. Этого побочного эффекта удалось избежать на этот раз: исследователи стабилизировали клетку, добавив цитрат — остаток лимонной кислоты, содержащейся во всех цитрусовых.

"Мы нашли решение важной проблемы, стоявшей на пути к пониманию механизма зарождения жизни", — говорит ведущий автор нового исследования и нобелевский лауреат 2009 года Джек Шостак (Jack Szostak) из Центральной больницы штата Массачусетс.

Данное исследование является частью масштабного проекта, целью которого является выяснить, как первая жизнь на Земле сформировалась из набора органических молекул.

Для поиска ответа на волнующий вопрос Шостак и его коллеги экспериментировали с так называемыми протоклетками, которые в сущности являются пузырьками жирных кислот. Эти образования были первой ступенью эволюции жизни на Земле, но и сегодня из них состоят все живые организмы, включая людей.

Несмотря на то, что протоклетки не обладают способностями настоящих живых структур, они способны воспроизводить себя посредством деления и формирования дочерних клеток. Главное отличие пузырьков от настоящих клеток состоит в отсутствии какого-либо воспроизводимого генетического материала.

Первые живые организмы обладали РНК — рибонуклеиновой кислотой, которая была носителем генов до ДНК. Молекулы РНК проще молекул ДНК, но они способны выполнять ряд функций, необходимых древним организмам.

Генетики заставили протоклетки удерживать груз молекул РНК, после чего задумались, как сделать так, чтобы РНК копировала и воспроизводила сама себя. В таком случае каждая дочерняя клетка стала бы носителем копий уникального генетического материала.

Молекулы РНК создают собственные копии из мелких молекул — нуклеотидов, которые являются "цифрами" генетического кода. При формировании нуклеотиды собираются на уже существующей РНК и соединяются в единую структуру.

Воспроизведение этого процесса в лаборатории требует вспомогательных веществ, таких как ионы магния или похожие заряженные частицы. Тут возникает проблема: созданные Шостаком протоклетки, несущие РНК, под воздействием ионов магния попросту разрушаются. Решить этот вопрос исследователям помогла молекулярный биолог Катажина Адамала (Katarzyna Adamala), которая предложила оригинальный выход из ситуации.

Учёные добавляли по очереди различные химические вещества в "коктейль" из протоклеток и РНК, пока, наконец, не нашли необходимый стабилизатор, не мешающий копированию генетического материала. В роли такого компонента выступил цитрат — остаток лимонной кислоты. Внутри протоклеток молекулы цитрата соединялись с ионами магния и сжимали их внутри себя, подобно плотной оболочке. Таким образом исследователям удалось предотвратить нежелательную реакцию, но оставить взаимодействие молекул РНК с пузырьками жирных кислот.

Если и 4 миллиарда лет назад в роли стабилизатора выступали цитраты, то лимонной кислоты должно было быть очень много на молодой Земле. Сегодня это вещество присутствует в большинстве современных живых организмов, но учёным до сих пор неизвестно, существовало ли оно на планете при формировании первых живых клеток.

Исследователи предположили, что на древней Земле могли быть и другие химикаты, также подходящие на эту роль. Шостак предположил, что цитраты могли заменять небольшие пептиды и начал экспериментировать.

"Пока что мы ещё не нашли пептид, выполняющий функцию стабилизатора так же эффективно, как это делают цитраты. Но мы всё ещё в процессе поиска", — рассказывает учёный.

Филипп Холлигер (Philipp Holliger) из Кембриджа, автор альтернативного подхода, также получивший положительные результаты, выразил недовольство экспериментом Шостака, поскольку тот не использовал ферменты. Однако авторы нового исследования, результаты которого они изложили в статье журнала Science, полагают, что ферменты сыграли свою роль уже на более поздних этапах эволюции жизни. А первым стабилизатором процесса были всё-таки цитраты.

ВестиRu