Код жизни. Как случайность стала биологией

Хотя до открытия РНК-ферментов было невозможно обосновать гипотезу о мире РНК, были и другие подсказки, указывавшие на то, что на каком-то раннем этапе РНК занимала центральное место в живой материи. В частности, речь идет об одном поразительном аспекте клеточного метаболизма, который долго считался загадкой, а теперь повышен в звании и считается важнейшим свидетельством того, как была устроена первая живая материя. Все современные клетки пользуются белковыми ферментами, чтобы катализировать практически все множество химических реакций, составляющих клеточный метаболизм. Однако сотни этих ферментов не в состоянии делать свою работу без посторонней помощи, и для этого им нужны маленькие молекулы, которые называют кофакторами. Любопытно, что многие (но не все) кофакторы состоят из двух компонентов. Первый из них – это химическое соединение, которое помогает ферменту ускорять химическую реакцию. А второе – это нуклеотид, один из кирпичиков, из которых состоит РНК. Зачем же множеству разных кофакторов содержать в своей структуре кусочек РНК? Это было совершенно непонятно, пока гипотеза мира РНК не предложила объяснение: вероятно, эти непостижимые молекулы – реликты, в каком-то смысле «ископаемые» мира РНК. Возможно, в те времена, когда РНК пыталась катализировать клеточный метаболизм, ей помогали маленькие кофакторы, которые разнообразили химический репертуар РНК дополнительными химическими группами. Если эти кофакторы подсоединялись к началу или концу цепочки РНК, это местоположение позволяло им удобно участвовать в катализе. Легко представить, что в дальнейшем в ходе эволюции жизни рибозимы со временем постепенно заменялись белковыми ферментами, компонент РНК постепенно сокращался, а белковый компонент рос, пока от РНК и его кофактора не осталось лишь то, что мы видим сегодня, – диковинный кофактор, наполовину фермент, наполовину РНК.

Современные клетки содержат и другие намеки на свое древнее прошлое, в том числе самое весомое доказательство реального существования давно утраченного мира РНК. Чтобы понять, что это за доказательство, нам придется изучить, как вырабатываются белки внутри всех существующих ныне живых клеток. Сам по себе этот процесс довольно сложен, поэтому важно не погрязнуть в деталях и оценить самую суть.

Сначала посмотрим, как передается и декодируется информация, руководящая синтезом того или иного белка. Выработка белка начинается с транскрипции (из ДНК в РНК) и продолжается трансляцией (из РНК в белок). Эта информация хранится в особой последовательности азотистых оснований в клеточной ДНК (а в некоторых вирусах – в РНК). То есть каждый кирпичик (нуклеотид) ДНК содержит одно из четырех азотистых оснований (их названия нередко обозначаются буквами А, Т, Ц и Г). Генетические инструкции для создания того или иного белка записаны в последовательности нуклеотидов – то есть этими четырьмя буквами в соответствующем порядке. В двойной спирали ДНК Ц всегда связывается с Г, а А – с Т, и получается что-то вроде ступенек стремянки. Первый шаг в экспрессии генов – транскрипция этой закодированной информации в одноцепочечную молекулу РНК, так называемую матричную РНК или мРНК для краткости. (Кстати, мРНК получила широкую известность как важнейший компонент некоторых вакцин против COVID-19.) Когда мРНК транскрибируется из ДНК, она содержит последовательность нуклеотидов, которая кодирует конкретный белок, но эта последовательность мРНК должна быть декодирована, чтобы затем транслироваться в последовательность аминокислот, строительного материала белков, в белковой цепочке. Например, последовательность ДНК ГЦТ дает последовательность мРНК, которая кодирует аминокислоту аланин: генетический код[16] соотносит последовательности из трех нуклеотидов с одной из двадцати аминокислот. Весь процесс охватывает множество других РНК (что само по себе, если вдуматься, намекает на главную роль РНК), а самые крупные из этих РНК – это РНК-компоненты рибосомы, молекулярной машины, отвечающей за синтез всех закодированных белков в каждой клетке каждого организма на Земле. Рибосома – это громадный молекулярный аппарат с невероятно древней эволюционной историей. Рибосомы разных организмов имеют близкородственную структуру, и их рибосомные РНК тоже находятся в родстве, что указывает на общее происхождение.

Но зачем рибосоме такие большие РНК-компоненты? Много лет рибосомные РНК (для краткости рРНК) считались своего рода пассивным каркасом, чья роль сводилась к упорядочиванию и расстановке большого количества белков, составляющих всю остальную структуру рибосомы (примерно как РНК-компонент рибонуклеазы Р первоначально считался пассивным вспомогательным элементом). Такое представление начало постепенно меняться с углублением наших знаний о биохимии и структуре рибосомы. Вот как рибосома декодирует информацию из мРНК, чтобы руководить синтезом белков. У рибосомы есть две «половины», «маленькая» и «большая» – в том смысле, что она состоит из малой и большой субъединиц. Сам процесс декодирования проводит малая субъединица. Она особым образом удерживает мРНК – так, что образуется изгиб прямо между последним элементом генетического кода, который уже был транслирован, и следующим, который предстоит транслировать (элементы генетического кода называются кодоны). Такое положение обеспечивает то, что эти два кодона распознаются двумя маленькими молекулами РНК – так называемыми транспортными РНК (тРНК), а они действуют как адаптеры и связывают кодоны со своими комплементарными последовательностями нуклеотидов (антикодонами). В итоге это молекулярное распознавание и расставляет нужные тРНК в правильном порядке. А вдали от места событий, присоединенные к концам молекул тРНК, находятся аминокислоты, которые тоже в дальнейшем соединяются. Эти аминокислоты располагаются близко друг от друга и в нужном положении, чтобы обеспечить реакцию между ними, в середине «большой половины» – большой субъединицы рибосомы. Это и есть настоящий «фермент», который создает белки, и следует отметить, что он состоит исключительно из РНК. То есть этот «фермент» – на самом деле РНК-фермент. По словам Йельского биохимика Томаса Стейца, «рибосома – это рибозим».

Даже если все эти незнакомые биохимические этапы и кажутся вам несколько запутанными, итог крайне прост: РНК-компоненты рибосомы – не просто пассивные наблюдатели, это те самые молекулы, которые катализируют синтез всех наших белков! Из этого поразительного открытия следуют очевидные выводы: раз РНК создают белки, значит, сначала были РНК. Это и есть бесспорное доказательство существования мира РНК в древние времена, когда все было проще, еще до эволюции современного синтеза. В те времена все ферменты состояли из РНК.

Идею доминирования РНК в древности поддерживают и две другие особенности современного клеточного метаболизма. Во всех современных клетках геномная информация архивирована в ДНК. Что поразительно – и безо всякой очевидной причины – кирпичики, из которых состоит ДНК, дезоксинуклеотиды, синтезируются в клетках в результате модификации рибонуклеотидов, кирпичиков, из которых состоит РНК. Почему же это так? Соблазнительный ответ состоит в том, что первоначальные клетки не содержали ДНК, а следовательно, им требовалось вырабатывать только рибонуклеотиды, чтобы синтезировать РНК. В дальнейшем, когда клетки эволюционировали настолько, чтобы использовать ДНК, самым простым способом создавать ДНК, вероятно, стало превращение рибонуклеотидов в дезоксинуклеотиды.

Наконец, множество ролей, которые РНК играет во всех современных клетках, само по себе косвенное доказательство ее древнего происхождения и первоначального доминирования. Скажем, у бактерий особые РНК, называемые рибопереключателями, регулируют всевозможные виды метаболической деятельности, а у эукариот (это организмы, клетки которых содержат ядро, к этой категории принадлежат и люди) другие типы некодирующей РНК регулируют экспрессию генов (процесс превращения информации, закодированной в гене, в функцию). Таким образом регулирующие РНК могут контролировать, какие гены экспрессируются в конкретной клетке, что, в свою очередь, определяет, что эта клетка может делать. Это достигается контролем над стабильностью мРНК и их способностью быть транслированными. Опять же, самое простое объяснение множественности ролей РНК состоит в том, что изначально генетическим материалом живой материи была именно РНК, и именно РНК использовалась для катализа и для регуляторной деятельности. А в дальнейшем, по мере эволюции жизни, роль РНК как хранилища информации взяла на себя ДНК, гораздо более химически стабильная молекула, чья прочность и устойчивость делает ее более подходящей для архивирования ценной информации. Подобным образом роль РНК в катализе химических реакций в значительной степени взяли на себя белковые ферменты, которые как катализаторы гораздо лучше, поскольку их химические группы отличаются бо́льшим разнообразием.

Теперь, когда мы узнали, что РНК сыграла ключевую роль в возникновении жизни, и увидели убедительные доказательства, что мир РНК когда-то и вправду существовал, мы готовы сделать следующий шаг в понимании того, как зародилась жизнь, – приступить к поискам естественного пути к химическому синтезу строительного материала для РНК.

Глава 3. От химии к биологии

Постановка новых вопросов, развитие новых возможностей, рассмотрение старых проблем под новым углом зрения требуют творческого воображения и отражают действительный успех в науке[17].

Альберт Эйнштейн и Леопольд Инфельд «Эволюция физики»

Самое интересное в науке – открывать не новые факты, а новые способы думать о них.

Сэр Лоренс Брэгг «Краткая история науки» («A Short History of Science»)

Нам пришлось пережить колоссальный понятийный переворот и переключиться со сложности современной живой материи на простоту первоначальной живой материи, единственным биологическим полимером которой была РНК. Но это оставляет нас лицом к лицу с немаловажным вопросом о том, как мы перешли от беспорядочной смеси химических веществ на поверхности молодой Земли к организованной структуре первой живой клетки. Неочевидно даже, имеет ли эта задача решение. Кто-то, вероятно, скажет, что это не вполне законная тема для научных изысканий, ведь мы не можем вернуться в прошлое и посмотреть, что произошло на самом деле, а следовательно, не сумеем по-настоящему проверить никакие гипотезы. Однако такие возражения излишне пессимистичны, поскольку мы, безусловно, в силах разработать гипотетические сценарии, которые будут фальсифицируемыми[18], в том смысле, что предлагаемые пути должны быть реалистичными с химической точки зрения, проходить в геологически разумных условиях и быть самодостаточными – то есть пошагово вести нас от запасов распространенных исходных материалов и источников энергии к более сложным химическим веществам, необходимым для создания простой клетки. Пути и процессы, которые приводят к распаду исходных материалов на смесь из миллионов соединений или к созданию бесполезных устойчивых полимеров (вроде керогена или смолы), можно исключить, и если мы их обнаружим, нам следует переключиться на что-то другое. Учитывая относительную сложность химических структур и реакций, нам придется привести несколько химических схем, которые, надеемся, помогут читателю наглядно представить себе соответствующие молекулярные перестановки и процессы. В конце главы мы добавили Приложение, в котором поясняем, как читать эти схемы.

Главный вопрос – удастся ли нам проследить ход продуктивных процессов от простых исходных материалов к главным химическим соединениям биологии. Прежде всего, нам надо выявить необходимые источники веществ и энергии, однако при этом мы должны знать, к чему стремимся, то есть что нам нужно, чтобы начались биологические процессы. Главные химические компоненты живой материи на Земле состоят по большей части из углерода, азота, кислорода и водорода с небольшими добавлениями фосфора и серы. Поскольку водород распространен во вселенной и в химии повсеместно, в дальнейшем нам не придется особенно беспокоиться о том, где его взять (на иллюстрациях, изображающих химические структуры, мы даже не всегда указываем атомы водорода, подробнее см. в Приложении). Чтобы построить молекулы РНК, которая, как мы уже обсуждали, необходима для первых клеток, нам нужно создать ее строительный материал, нуклеотиды, которые и сами по себе – довольно сложные химические соединения. Нуклеотиды состоят из трех частей – азотистого основания (химического соединения, несущего информацию), сахара (в случае РНК это рибоза) и фосфатной группы (которая связывает нуклеотиды в цепочку).

Нуклеотид 5'-АМФ. Справа – азотистое основание аденин, в центре – сахар рибоза, слева – фосфат.

В РНК четыре азотистых основания, обозначенных сокращениями (первыми буквами названий) – А, Г, Ц и У, и они состоят из углерода, азота и кислорода (как мы видели, Т в ДНК замещается У в РНК). Сахар состоит из углерода и кислорода, а фосфатная группа – из фосфора и кислорода. Чтобы создать азотистые основания, идеальным был бы исходный материал с содержанием и углерода, и азота. И в самом деле, более полувека назад стало ясно, что аденин (азотистое основание, обозначенное буквой А), – это всего-навсего пять молекул необычайно ядовитого и горючего цианида водорода (химическая формула HCN), соединенные друг с другом крайне специфическим образом. В 1959–1962 годах Жоан Оро-и-Флоренса, биохимик из Хьюстонского университета, провел серию классических экспериментов: он кипятил раствор HCN (очень осторожно!) – и, помимо прочих соединений, получил и аденин.

Структура аденина изображена на рисунке выше. Пары атомов углерода и азота обведены овалами, и каждая такая пара соответствует одной молекуле цианида водорода. Эти эксперименты пробудили оптимизм и надежду, что вскоре удастся найти простые пути ко всем оставшимся азотистым основаниям и соответствующим нуклеотидам. Увы, этого не произошло. Эксперименты, целью которых было получить и А, и Г (так называемые пуриновые основания), дали всего лишь следы Г, а также много других родственных веществ, которые не входят в структуру РНК. Оставшиеся азотистые основания Ц и У, казалось, не должны были вызвать особых сложностей, особенно если учесть, что У можно получить из Ц реакцией с водой. Примечательно, что азотистое основание Ц можно получить реакцией двух более простых соединений, и оба они могли, по-видимому, присутствовать в достаточно высоких концентрациях в средах молодой Земли. Первое из этих соединений – мочевина, распространенный метаболит в современной биологии, вещество, знаменитое тем, что это было первое органическое соединение, созданное в лаборатории. Вспомним, что в конце двадцатых годов XIX века немецкий химик Фридрих Вёлер получил мочевину, нагревая цианат аммония (а это тоже, в свою очередь, производное цианида). Любопытно, что еще мочевина – это продукт реакции с водой другого производного цианида, так называемого цианамида, который, в свою очередь, можно получить самыми разными способами. Например, цианамид возникает в восстановительных атмосферах, лишенных кислорода и других окисляющих газов, зато богатых водородом и подверженных влиянию ультрафиолетового излучения. (Это вещество обнаружено в атмосфере Титана, спутника Сатурна, где, как мы увидим в главе 8, тоже ищут внеземную жизнь.) Еще в качестве исходного материала для создания Ц нужно соединение, носящее более сложное название цианацетальдегид (или 3-оксопропаннитрил), продукт реакции цианацетилена (органического вещества, также обнаруженного в атмосфере Титана) с водой. При соответствующих лабораторных условиях очень концентрированная мочевина и цианацетальдегид охотно реагируют и образуют азотистое основание Ц, как показали Лесли Орджел и Стэнли Миллер в семидесятые годы прошлого века[19] (хотя эти ученые сами участвовали в жарких дебатах о правдоподобии такого синтеза).

В этот момент сложилось впечатление, что картину происхождения жизни, вероятно, удастся нарисовать, поскольку выяснилось, что главные биологические азотистые основания можно (относительно) легко получить в предбиологической среде. Увы, более подробное изучение следующих шагов выявило непредвиденные трудности. Главным камнем преткновения стало то, что одних азотистых оснований недостаточно, поскольку, чтобы получилась РНК, они должны соединяться с сахаром рибозой, а эту реакцию запустить никак не удавалось. В современной живой материи ее катализируют ферменты, и процесс задействует рибозу с подсоединенными к ней в определенных местах фосфатными группами. По-видимому, выполнить эти требования в рамках известной нам предбиологической химии было нельзя. Причем, к вящей досаде ученых, сложнейшей проблемой оказалось даже создать саму рибозу.

Поначалу сложилось впечатление, будто получить рибозу нетрудно, ведь для этого достаточно подогреть в воде простое органическое соединение формальдегид (CH2O, которого, как считалось, было в изобилии в атмосфере молодой Земли), добавив немного гидроксида кальция (всем известной гашеной извести).

Рибоза в виде пяти соединенных остатков формальдегида.

Этот процесс приводит к сложной череде реакций, получившей название формозной реакции (реакция Бутлерова). В сущности, это превращение ядовитого формальдегида в сладкие сахара. Любопытно, что рибоза, подобно аденину, состоящему из пяти молекул циановодорода, состоит из пяти остатков формальдегида, сцепленных в кольцо. На схеме выше каждый овал – это пара связанных атомов углерода и кислорода, полученных из одной молекулы формальдегида. Казалось бы, перспективно – но беда в том, что рибоза, необходимая для создания ДНК, составляет, как правило, менее процента в той сложной смеси сахаров, которые получаются в результате этих реакций. Более того, дальнейшие реакции создают массу отходов, которые в итоге превращают все в никому не нужную смолу. Тем не менее, благодаря своей простоте, а особенно – благодаря способности к автокатализу (то есть реакция катализируется одним из своих же продуктов), формозная реакция продолжает изучаться как простой способ создавать сахара из обильных запасов исходных материалов. Ученые рассмотрели целый ряд приемов в попытке «укротить» формозную реакцию – например, проводили ее в присутствии боратов (солей борной кислоты). Бораты – распространенные минералы в некоторых геологических формациях, однако их роль в предбиологических сценариях остается неясной. Кроме того, хотя борат и правда упрощает перечень продуктов формозной реакции, последовательности реакций остаются сложными, и все равно производится очень много разных сахаров. Недавно был предложен интересный подход – ученые экспериментируют с формозной реакцией в присутствии других молекул, которых, скорее всего, было в изобилии на молодой Земле, например молекул циановодорода и цианамида. Однако эти исследования только начались. Поэтому пока отложим разговор о формозной реакции, но будем иметь в виду, что она может служить альтернативным источником сахаров.

Как мы уже несколько раз видели в других контекстах, решение сложных проблем нуклеотидного синтеза требует понятийной революции. В этом случае революций потребовалось несколько. Главным психологическим препятствием на пути прогресса стало наше интуитивное представление о химической структуре нуклеотидов. Возникает сильный соблазн мысленно поделить его структуру на три части: азотистое основание (углерод и азот), сахар (углерод и кислород) и фосфат (фосфор и кислород). Именно поэтому для химиков было естественно представить себе, что эти компоненты возникают по отдельности, а потом пошагово сцепляются: сначала получается нуклеозид (азотистое основание плюс сахар), а потом уже нуклеотид (с добавлением фосфата на конце). На практике проведение реакции с участием цианида в присутствии формальдегида немедленно приводит к синтезу продукта, который называется гликолонитрил (он формируется быстрой реакцией циановодорода с формальдегидом; более точные названия – формальдегидциангидрин или 2-оксиэтанитрил). Довольно долго гликолонитрил считался бесполезным тупиковым продуктом. Сочетание неверных интуитивных представлений и правильных, но никуда не ведущих химических реакций десятилетиями блокировало дальнейший прогресс.

Первая попытка преодолеть это препятствие была совершенно нестандартной, хотя поначалу и не казалась особенно перспективной. Основная мысль состояла в том, чтобы отойти от идеи создать азотистое основание и сахар по отдельности (а потом сложить из них нуклеозид). Вместо этого предлагалось создать промежуточное соединение, которое впоследствии можно будет превратить в вожделенный нуклеозид. Первый робкий шажок в этом направлении предпринял Орджел, показав, что рибоза отлично реагирует с цианамидом, близким родичем циановодорода, с которым мы уже знакомы как с потенциальным предшественником азотистого основания цитозина, он же Ц. Примечательно, что реакция цианамида с рибозой дает красивое кристаллическое соединение с несколько неудобоваримым названием рибоаминооксазолин, сокращенно РАО. Поскольку РАО кристаллизуется из реакционной смеси, у этого подхода есть большое преимущество: можно представить себе резервуар, где РАО постепенно накапливается, а побочные продукты вымываются, что обеспечивает естественное очищение. Такая схема – накопление чистого промежуточного соединения – позволяет обойти упомянутое мнимое препятствие (необходимость производить сложное соединение вроде нуклеотида, которое требует последовательности реакций в строгом порядке). Как мы вскоре увидим, такого типа процессы в предбиологической химии встречались сплошь и рядом, и такая концепция стала одним из главных доводов, подтверждающих, что в предбиологических условиях был возможен синтез строительного материала для живой материи.

Оставим в стороне вопрос о проблематичности изготовления РАО из рибозы и займемся тем, как получить из РАО желанный нуклеозид. Как выяснилось, есть две простые реакции, которые приближают нас к нуклеозиду Ц, однако остается некоторая загвоздка, поскольку тот вариант Ц, который при этом получается, отличается от варианта, который используется в живой материи. В типе Ц, который мы получаем из РАО, азотистое основание Ц направлено от сахара не вверх, а вниз. Выражаясь научным языком, биологический вариант – это β-аномер (тип изомера, те же атомы, но другая структура), а вариант, полученный из РАО, – α-аномер. Как же обойти эту дополнительную помеху? Воздействие ультрафиолета помогает превратить α-аномер в желанную биологическую форму Ц, но доля «правильного» Ц при этом оказывается до обидного мала, всего около 4 %. На этом этапе мы видим как минимум два крупных препятствия на гипотетическом пути к созданию Ц: во-первых, нереалистично начинать синтез РАО из чистой рибозы, если нет способа очищать и хранить этот нестабильный сахар, а во-вторых, мы получаем не тот аномер Ц и не знаем, как превратить α-аномер в нужный нам β-аномер. Вопрос оставался без ответа лет двадцать, пока в начале девяностых годов прошлого века британский химик Джон Сазерленд не решил пересмотреть процесс синтеза нуклеотидов как таковой.

В цикле статей, публиковавшихся на протяжении пятнадцати лет, Сазерленд и его рабочая группа постепенно, шаг за шагом приближались к решению, а кульминацией трудов стала их статья 2009 года, ознаменовавшая настоящий перелом в исследованиях предбиологической химии.

Во-первых, Сазерленд начал синтез с другой точки, чтобы можно было использовать исходные материалы проще сахара рибозы. Соответственно, на первом этапе своего процесса Сазерленд с коллегами провели реакцию самого простого из возможных сахаров (гликольальдегида), в котором всего два атома углерода, с цианамидом (тем самым родственным циановодороду соединением, которое уже применялось, чтобы создать РАО). Эти два соединения, реагируя друг с другом, создают простую кольцевидную молекулу 2-аминооксазол, сокращенно 2АО. Преимущество такой реакции в том, что сразу создается новая связь углерод—азот, и это именно та связь, которая в конце синтеза соединит сахар с азотистым основанием (и создаст желанный кирпичик нуклеозид). Большое преимущество такой схемы синтеза в том, что та самая связь C-N, которая раньше никак не создавалась в ходе прямой реакции сахара с азотистым основанием, теперь появляется в самом начале пути, где она создается легко и просто.

Отношения между 2АО (слева) и нуклеозидом Ц (справа). Атомы 2АО, входящие в состав рибозы Ц, заключены в пунктирные овалы. Атомы 2АО, входящие в состав азотистого основания Ц, заключены в сплошные овалы.