Израильские ученые раскрыли тайну происхождения жизни на Земле

Ученые Института Вейцмана нашли ключ к пониманию происхождения белков, послуживших началом органической жизни на нашей планете. Горькая ирония: гипотеза, которую выдвинул профессор Дан Тауфик, нашла лабораторное подтверждение буквально на следующий день после его трагической гибели в горах Хорватии. Коллеги и ученики продолжили исследование, а затем опубликовали его результаты в научном издании Journal of the American Chemical Society.

Происхождение жизни на Земле – одна из величайших научных загадок. Чтобы ее разгадать, необходимо разобраться, каким был механизм появления из первичных белковых сегментов сложных молекулярных конструкций и механизмов. Иными словами, как в том «первобытном бульоне» – богатой минералами первичной водной среде, царившей на нашей планете около 4 миллиардов лет назад, – зародились первые ростки органической жизни.

В основу исследования, проходившего в лаборатории профессора Дана Тауфика из Института Вейцмана, легла выдвинутая им и его коллегами гипотеза о том, что капли, образовавшиеся в том «бульоне», представляли собой протоклетки, способные впоследствии эволюционировать в те живые клетки, которые мы знаем сегодня. Согласно этой гипотезе, капли создавали замкнутые двойные структуры (димеры). Пары пептидных молекул притягивались друг к другу молекулярными силами, а на следующем этапе димер сливался в единую молекулу, создавая тот самый древний белок.

Ученые сначала воссоздали его в математической модели. В этой их реконструкции предок современных белков состоял из двух коротких фрагментов (пептидов) с почти совпадающими последовательностями аминокислот. Используя метафору, исследователи обозначили такие фрагменты, как «слова», из которых в случае повтора создавалось древнее молекулярное «предложение».

Затем ученые воспроизвели эти фрагменты в лабораторных условиях, разрезали их на две части и поместили пептидные «слова» в воду. Вначале они никак не собирались в пары, но после того как научный сотрудник лаборатории доктор Лиам Лонго добавил в водную среду некоторое количество РНК, в растворе началась реакция: вода стала мутной и в ней появились капли, похожие на капельки жира в курином бульоне. Под микроскопом доктор Лонго увидел, что эти капли образовались в результате соединения положительно заряженных пептидов и отрицательно заряженной РНК.

Таким образом, эксперимент подтвердил верность математической модели. Но главные трудности ожидали ученых впереди.

Около десяти лет назад ученые обнаружили образованные естественным образом подобные капли в клетках человеческого тела. Они представляют собой комбинации белков и молекул РНК или ДНК. Пять лет назад это открытие даже было внесено журналом Science в список номинаций на звание научного прорыва года и названо «одной из самых горячих тем в клеточной биологии». Однако все еще оставался неясным механизм образования капель и их функция.

Для подтверждения гипотезы требовались доказательства существования димеров в лабораторных условиях, то есть в протобульоне, созданном в лаборатории профессора Тауфика. Стандартными методами этого сделать нельзя, поэтому группа профессора Дана Тауфика объединилась с группой профессора Даниэлы Гольдфарб из отделения химической и биологической физики Института Вейцмана – ее лаборатория специализируется на изучении белков с применением электронного парамагнитного резонанса.

Давно прошли и канули в небытие времена, когда великие открытия совершали ученые-одиночки. В современном мире прогресс в науке и в других сферах достигается в сотрудничестве множества коллективов, помогающих друг другу и подкрепляющих выводы исследованиями из смежных областей науки.

Профессор Гольдфарб и ее группа начали поиск предполагаемых димеров профессора Тауфика, используя инновационные методы: они пометили пептиды электронными спиновыми метками – крошечными молекулами с уникальными магнитными свойствами, которые были изготовлены в лаборатории профессора Нормана Метаниса в Еврейском университете в Иерусалиме. Меченые пептиды, помещенные в магнитное поле, становились своего рода «разведчиками», передающими информацию о свойствах пептидов, к которым они присоединены. Методом визуализации, известным как DEER, ученые смогли определить расстояние между одним пептидом и другим по силе магнитных взаимодействий между метками. Если имела место значительная близость, это указывало на образование димера.

Довольно долго ученым не удавалось обнаружить существование димеров, но эксперименты продолжались. Трагическая весть о гибели профессора Тауфика пришла 4 мая 2021 года: он сорвался со скалы в Хорватии и погиб. А уже на следующий день доктор Манас Сил, научный сотрудник лаборатории профессора Гольдфарб, обнаружил первые димеры в растворе пептидов.

Исследованию предстояло преодолеть еще несколько этапов: доказать, что димеры образуются не только в пептидном растворе, но и внутри самих капель; обнаружить, что пептиды действительно связываются с РНК (это подтвердило замедление движения «меток-шпионов»), но главная идея уже получила свое экспериментальное подтверждение.

«По сути, мы доказали, что связь с молекулами РНК увеличивает образование димеров, – говорит доктор Сил, руководивший экспериментами. – Эта связь, вероятно, помогает пептидам находить друг друга, подобно двум людям, держащимся за концы одной веревки».

Эти данные подтверждают гипотезу профессора Тауфика, согласно которой капли, образовавшиеся в древнем бульоне, послужили толчком к решающему этапу эволюции белков и, следовательно, способствовали к возникновению жизни на Земле.

Помимо лучшего понимания зарождения белковой жизни на Земле эти новые идеи могут найти практическое применение в современной медицине. Один из примеров: согласно исследованиям, дефекты в процессах образовании капель в наших клетках могут приводить к развитию дегенеративных заболеваний головного мозга. Соответственно, более глубокое понимание механизмов образования капель и их функций может проложить путь к новым методам диагностики и лечения.

Вера Рыжикова, НЭП. По данным Института Вейцмана. На фото: профессор Дан Тауфик √