Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Уберите из генома E. coli новые гены — выскочек, обеспечивающих сопротивляемость к пенициллину и другим лекарствам. Уберите более старые гены, которые E. coli приобрела в течение миллионов лет после отделения от других бактерий. Удалите более глубокие слои — те, что отвечают за строительство жгутиков, и те, которые к настоящему моменту настолько разрушены, что ни на что не годны. Удалите гены, отвечающие за муреиновый мешок, за сенсоры, регистрирующие появление пищи и опасности, за фильтры и усилители. Избавьтесь от генов, кодирующих белки, которые присутствовали еще у последнего общего предка всех живых организмов около 4 млрд лет назад.

Что же у вас останется? Не подумайте, что чистый лист. По — прежнему останется целый ряд отдельных загадочных кусочков ДНК. Это не совсем обычные гены. E. coli использует их для синтеза РНК, но никогда не использует эту РНК для производства белков. Эти гены — аналог первого, самого древнего текста на нашем палимпсесте. Ученые подозревают, что многие из них — следы древнейших организмов, существовавших на Земле до появления ДНК.

Сырье, которое использует жизнь, ничем не отличается от обычной безжизненной материи. Углерод, фосфор и другие элементы, входящие в состав нашего тела, возникли в глубинах звезд. Многие необходимые для жизни химические вещества могут быть созданы без ее участия. Полетав немного по Солнечной системе, можно было бы собрать на метеоритах и кометах немало аминокислот, формальдегида и других соединений, найденных в организме живых существ. Многие из этих веществ вошли в состав нашей планеты при ее формировании 4,5 млрд лет назад; позже их доставляли на Землю и постоянно падающая комическая пыль, и — время от времени — более крупные куски камня или льда. Сама планета работала как огромный химический реактор: калила, смешивала, фильтровала эти вещества, производя, вероятно, из них новые соединения, тоже необходимые для жизни; они присутствовали на Земле задолго до того, как появилась сама жизнь. Но есть великая тайна, которая из века в век привлекает к себе внимание ученых: как именно в этом реакторе появилась жизнь такая, какой мы ее знаем, — вместе с закодированной в двойной спирали ДНК информацией, РНК и белками.

В 1960–е гг. ученые, разобравшись более или менее с основами молекулярной биологии, пришли к единому мнению о том, что все три типа молекул не могли возникнуть на безжизненной Земле одновременно. Но какие появились первыми? Пусть ДНК — прекрасное хранилище информации, но без участия белков и РНК это всего лишь необычная нитевидная молекула. С другой стороны, белки выполняют невероятное количество функций, они способны захватывать проплывающие мимо атомы, штамповать новые молекулы или делить уже существующие молекулы на части. Но они не слишком подходят для хранения информации о строительстве белков и для передачи этой информации следующим поколениям.

В середине 1960–х гг. Фрэнсис Крик и его кембриджский коллега химик Лесли Оргел провели немало часов в размышлениях о происхождении жизни. Оба ученых пришли к одному и тому же принципиальному выводу — тому же самому, к какому самостоятельно пришел и Карл Вёзе. Может быть, ДНК и белки появились на Земле намного позже, чем жизнь? Возможно, до ДНК и белков существовала жизнь, основанная только на РНК?

В то время предположение ученых звучало довольно дико. Считалось, что основная роль РНК в клетке сводится к роли посыльного и заключается в доставке информации от генов к рибосомам, где собираются молекулы белков. Но Крик, Оргел и Вёзе обратили внимание на то, что в экспериментах на E. coli молекулы РНК выполняют и другие функции. Рибосома, к примеру, и сама состояла из нескольких десятков белков и нескольких молекул РНК. Еще одна разновидность РНК, именуемая транспортной, помогала присоединять очередную аминокислоту к концу растущей молекулы белка. Возможно, предположили ученые, РНК обладает скрытой способностью к той химической акробатике, к которой так хорошо приспособлены белки? Может быть, именно РНК первой из трех молекул возникла на безжизненной Земле, причем одни ее разновидности играли роль ДНК, а другие — белков? Может быть, ДНК и белки появились позже и оказались более приспособленными для хранения информации и организации химических реакций соответственно?

Много лет спустя Крик и Оргел признались, что после публикации в 1968 г. идея первичной РНК не получила никакого развития. Не было никаких серьезных доказательств того, что РНК обладает достаточной гибкостью и может, подобно белкам, служить катализатором химических процессов. Прошло 15 лет, прежде чем ученые начали всерьез размышлять над этой гипотезой. Через год после того, как Крик предложил свою гипотезу жизни, основанной на РНК, в Кембридж приехал молодой канадский биохимик по имени Сидней Олтмен; вместе с Криком он начал исследовать транспортную РНК. Олтмен обнаружил, что при синтезе транспортной РНК E. coli приходится отрезать от нее кусочек, чтобы молекула работала правильно. Олтмен назвал участвующий в этом процессе фермент рибонуклеазой Р (сокращенно РНКаза Р). В Кембридже, а затем и в Йельском университете Олтмен медленно и терпеливо препарировал рибонуклеазу Р, выясняя ее структуру. Он с удивлением узнал, что на самом деле это химера: наполовину белок, наполовину РНК. Исследователи выяснили, что ферментное лезвие, которое непосредственно перерезает молекулу транспортной РНК, представляет собой тоже РНК — РНК без всякой примеси. Олтмен обнаружил молекулу РНК, которая ведет себя как фермент, — нечто, о чем прежде никто и никогда не сообщал.

В 1989 г. Олтмен разделил Нобелевскую премию с биохимиком Томасом Чехом, работающим в настоящее время в Колорадском университете. Чех обнаружил аналогичную странную РНК у одноклеточного эукариота Tetrahymena thermophila, обитающего в прудах. В отличие от прокариот, эукариотам приходится вырезать большие куски РНК из разных участков молекулы, прежде чем ее можно будет использовать для синтеза белков. Как правило, куски эти вырезают белки, которые строятся с помощью матричной РНК. Но Чех обнаружил, что некоторые молекулы РНК у Tetrahymena способны разрезать себя сами, без какой бы то ни было помощи со стороны белков. Они просто складываются точно в нужном месте и отрезают сами от себя бесполезные части.

Открытия Чеха и Олтмена наглядно продемонстрировали, что РНК может быть гораздо более гибкой и многофункциональной, чем предполагалось ранее. Многие биологи вновь обратились к провидческим идеям Крика, Оргела и Вёзе. Возможно, РНК действительно могла когда?то играть роли и генов, и ферментов? Может быть, еще до появления ДНК и белков на Земле существовало то, что Уолтер Гилберт из Гарварда назвал «миром РНК»?

Если когда?то давным — давно живые существа на базе РНК бороздили земные океаны, то у них молекулы РНК должны были обладать намного большим числом функций, чем те, которые обнаружили Олтмен и Чех. Некоторые из них должны были исполнять функции генов — хранить информацию и передавать ее следующим поколениям. Другие — извлекать информацию из этих генов и использовать ее для строительства других молекул РНК, которые, в свою очередь, должны были исполнять функции ферментов. Эти рибозимы, как их назвали, должны были уметь поглощать энергию и питательные вещества, а также осуществлять репликацию генов.

Гипотеза о существовании мира, основанного на РНК, подтолкнула ученых к тщательному исследованию эволюционного потенциала этой загадочной молекулы. В 1990–е гг. биохимик Рональд Брейкер из Йельского университета предпринял попытку сконструировать основанные на РНК сенсоры. Он рассуждал так: эти сенсоры должны работать примерно как детекторы сигналов E. coli — уметь захватывать определенные молекулы или атомы, а затем изменять свою форму таким образом, чтобы вступать в реакции с другими молекулами бактериальной клетки.

Брейкеру не пришлось самому придумывать такие сенсоры — вместо этого он воспользовался творческой силой эволюции. Он поместил смесь различных молекул РНК в колбу и добавил туда химическое вещество, которое его сенсор, по задумке, должен был регистрировать. Несколько РНК — молекул неуклюже присоединились к молекулам вещества, остальные никак на него не отреагировали. Брейкер выловил эти несколько молекул и растиражировал их во множестве экземпляров. Копировал он намеренно небрежно, так что иногда последовательность нуклеотидов в молекулах слегка менялась. Иными словами, его РНК мутировала. Когда Брейкер подверг эти мутировавшие молекулы РНК действию все того же химического вещества, некоторые из них смогли более эффективно связываться с его молекулами. Брейкер многократно