В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как гены защищают себя от процесса старения. Это довольно раннее исследование в конечном итоге принесло ему часть Нобелевской премии. Однако очень скоро он восхитился ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа бесподобна», говорит он. «В принципе, вполне возможно, что РНК катализирует собственное воспроизводство».
В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который может строить короткую молекулу РНК длиной в 10 нуклеотидов. Шостак решил улучшить открытие, произведя новые ферменты РНК в лаборатории. Его команда создала набор случайных последовательностей и проверила, обладает ли хоть одна из них каталитическими способностями. Затем они брали эти последовательности, переделывали и снова проверяли.
Спустя 10 раундов таких действий Шостак произвел фермент РНК, который ускорял протекание реакции в семь миллионов раз. Он показал, что ферменты РНК могут быть по-настоящему мощными. Но их фермент не мог копировать себя, даже чуточку. Шостак оказался в тупике.
Возможно, жизнь началась не с РНК
Следующий крупный шаг осуществил в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже. Бартель сделал РНК-фермент R18, который мог добавлять новые нуклеотиды в цепь РНК на основе существующего шаблона. Другими словами, он добавлял не случайные нуклеотиды: он правильно копировал последовательность.
Пока это был еще не саморепликатор, но уже что-то похожее. R18 состоял из цепи 189 нуклеотидов и мог надежно добавлять 11 нуклеотидов в цепочку: 6% от собственной длины. Была надежда, что несколько настроек позволят ему построить цепь длиной в 189 нуклеотидов — как и он сам.
Лучшее, что удалось сделать, принадлежало Филиппу Холлигеру в 2011 году из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копировал последовательности до 95 нуклеотидов длиной. Это 48% от его собственной длины: больше, чем у R18, но далеко не 100%.
Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольном из Института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. В 2009 году они создали фермент РНК, который размножается косвенно. Их фермент объединяет два коротких кусочка РНК для создания второго фермента. Затем объединяет другие два кусочка РНК, чтобы воссоздать исходный фермент.
При наличии сырья этот простой цикл можно продолжать до бесконечности. Но ферменты работали только тогда, когда им давали правильные цепочки РНК, которые приходилось делать Джойсу и Линкольну.
Для многих ученых, которые скептически относятся к «миру РНК», отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой этой гипотезы. РНК, по всей видимости, просто не может взять и начать жизнь.
Также проблему усугубила неудача химиков в попытках создать РНК с нуля. Казалось бы, простая молекула по сравнению с ДНК, но сделать ее чрезвычайно трудно.
Проблема лежит в сахаре и основании, которые составляют каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них по отдельности, но они упорно отказываются связываться. К началу 1990-х годов эта проблема стала очевидной. Многие биологи заподозрили, что гипотеза «мира РНК», несмотря на всю привлекательность, может быть не совсем верной.
Вместо этого, возможно, на ранней Земле был какой-то другой тип молекулы: что-то проще, чем РНК, которая на самом деле могла собрать себя из первичного бульона и начать самовоспроизводиться. Сначала могла быть эта молекула, которая затем привела к РНК, ДНК и остальным.
ДНК вряд ли могла образоваться на ранней Земле
В 1991 году Питер Нильсен из Университета Копенгагена в Дании придумали кандидата в первичные репликаторы.
Это была по существу сильно модифицированная версия ДНК. Нильсен сохранил те же основы — A, T, C и G, имеющиеся в ДНК, — но сделал основную цепь из молекул под названием полиамиды, а не из сахаров, которые также имеются в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислотой, или ПНК. Непонятным образом с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.
ПНК никогда не встречали в природе. Но ведет она себя практически как ДНК. Цепочка ПНК даже может занимать место одной из цепей молекулы ДНК, и основания спариваются как обычно. Более того, ПНК может закручиваться в двойную спираль, как ДНК.
Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к РНК-миру, он подозревал, что ПНК была куда более вероятным кандидатом на первый генетический материал.
В 2000 году он произвел несколько уверенных доказательств. К тому времени ему уже стукнуло 70 и он пережил несколько инсультов, которые могли отправить его в дом престарелых, но не сдался. Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, в этот раз используя метан, азот, аммиак и воду — и получил полиамидную основу ПНК.
Это позволило предположить, что ПНК, в отличие от РНК, вполне могла образоваться на ранней Земле.
Молекула треозо-нуклеиновой кислоты
Другие химики придумали собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.
В 2000 году Альберт Эшенмозер сделал треозо-нуклеиновую кислоту (ТНК). Это та же ДНК, но с другим сахаром в основе. Цепи ТНК могут образовывать двойную спираль, а информация копируется в обоих направлениях между РНК и ТНК.
Более того, ТНК может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. Это намекает на то, что ТНК может действовать как фермент, подобно РНК.
В 2005 году Эрик Меггес сделал гликолевую нуклеиновую кислоту, которая может формировать спиральные структуры.
У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники. Но никаких следов их в природе не найти, поэтому если первая жизнь действительно использовала их, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но никаких доказательств нет.
В итоге к середине 2000-х годов сторонники мира РНК оказались в затруднительном положении.
С одной стороны, РНК-ферменты существовали и включали одну из важнейших частей биологической инженерии, рибосому. Хорошо.
Но самовоспроизводящуюся РНК найти не удалось и никто не мог понять, как РНК сформировалась в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю задачу, но нет никаких доказательств, что они существовали в природе. Не очень хорошо.
Очевидный вывод был таким: «мир РНК», несмотря на свою привлекательность, оказался мифом.
Между тем с 1980-х годов постепенно набирала обороты другая теория. Ее сторонники утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или другого генетического вещества. Вместо этого она началась с механизма использования энергии.
Жизни нужна энергия, чтобы оставаться живой
4. Энергия протонов
Теория «мира РНК» опирается на простую идею: самое важное, что может сделать живой организм, это воспроизвести себя. Многие биологи с этим согласились бы. От бактерий до голубых китов, все живые существа стремятся завести потомство.
Тем не менее многие исследователи происхождения жизни не считают воспроизводство чем-то фундаментальным. Перед тем как организм сможет размножаться, говорят они, он должен стать самодостаточным. Он должен поддерживать себя в живом состоянии. В конце концов, вы не сможете иметь детей, если сначала умрете.
Мы поддерживаем себя в живых, поглощая пищу; зеленые растения делают это путем извлечения энергии из солнечного света. На первый взгляд, человек, поедающий сочный стейк, сильно отличается от поросшего листвой дуба, но если разобраться, они оба нуждаются в энергии.