Протоклетка могла делиться без участия белка

Как размножалась первая клетка

Японским ученым удалось сконструировать организм, похожий на самые первые клетки, обитавшие на Земле около 4 миллиардов лет назад. Он состоял лишь из липидной мембраны, висящей на ней молекулы ДНК и ряда белков, необходимых для копирования последней. Какого же было их удивление, когда они увидели, что эта протоклетка начала самостоятельно размножаться!

Как мы помним, размножение является одним из фундаментальных свойств живых существ. Поэтому логично предположить, что самые первые организмы, которые появились где-то около 4 миллиардов лет тому назад (древнейшие из них известны из пород гренландской формации Исуа, возраст которой - 3, 9 миллиардов лет), им тоже обладали. Иначе как бы они смогли расселяться? Однако, как это ни странно, до настоящего времени ученые тщетно бились над загадкой, каким образом происходило деление первых клеток.

Дело в том, что клеточное деление - достаточно сложный процесс, требующий участия множества различных веществ. У эукариот (организмов, чья ДНК заключена в ядро) в нем принимают участие тысячи одних только белков. У прокариот же (бактерий, сине-зеленых водорослей) с этим хоть и по проще, однако все равно, один только процесс деления клеточной мембраны нуждается в помощи десятков белков. Но откуда все эти необходимые вещества были в первичных клетках, которые, по мнению биологов и химиков, должны были быть устроены даже не просто, а очень просто?

Так что тут получается своеобразная "уловка 22": без деления живые организмы не смогли бы расселяться и вскоре погибли бы от голода, исчерпав все ресурсы поблизости, а делиться они тоже не могли, поскольку их клетки тогда вряд ли содержали необходимые для этого процесса вещества. Замкнутый круг, одним словом. До сих пор эта проблема не имела решения - никто из теоретиков не мог даже смоделировать процесс "первичного" деления, не говоря уж о том, что бы провести эксперимент, этот процесс воспроизводящий. Однако недавно японским биохимикам, похоже, удалось разрешить эту самую сложную эволюционную загадку.

Прежде всего исследователи из Токийского университета создали гипотетическую протоклетку. Она представляла собой пузырек, оболочка которого состояла из липидов (разновидность жиров), а внутри находилось ДНК и белки, осуществляющие ее копирование (или репликацию). При этом, поскольку ДНК и липидная мембрана несут разноименный заряд, то молекула наследственного вещества была как бы заякорена одним концом на мембране. Биохимики, поглядев на свое "творение", сочли, что оно весьма похоже на первичные организмы, которые давным-давно обитали на нашей планете.

Дальше биологи запустили процесс копирования ДНК. Он пошел абсолютно нормально и скоро вся внутренняя поверхность пузырька оказалась просто "утыкана" дочерними копиями данной молекулы. После этого к местам их прикрепления ученые добавили в мембрану некоторое количество новых липидов. И вот тут-то случилось весьма интересное событие: новые жировые молекулы собирались у свежесинтезированных копий ДНК и в конечном счете формировали новый пузырек, который отрывался от дочерней протоклетки. Причем все это происходило автоматически и никакого контроля над данным процессом со стороны наследственного вещества не наблюдалось - молекулы ДНК вели себя абсолютно пассивно и не пытались как-то "руководить" делением.

Фото: AP

Но самое интересное состоит в том, что, согласно эксперименту (результаты которого были недавно опубликованы в журнале Nature Chemistry), никаких белков и других дополнительных веществ для того, что бы провести клеточное деление вообще не понадобилось. Нужно было лишь несколько копий ДНК внутри и некоторое количество липидов во внешней среде (а уж в океане тех времен их было достаточно много). Конечно, еще потребовались белки, осуществляющие копирование наследственной субстанции, однако в принципе и они не являлись необходимыми участниками процесса. Дело в том, что японские ученые смоделировали организм, внутри которого была ДНК, которая сама себя копировать не может. Но если придерживаться версии "РНК-мира", согласно которой первые организмы содержали в себе активную РНК в виде рибозима (рибонуклеиновая кислота + энзим), то получается, что без белков можно обойтись - доказано, что рибозимы вполне способны к самокопированию.

Подробнее об этом читайте в статье "В начале была... рибонуклеиновая кислота".

Следует заметить, что неоднократные эксперименты показывали, что мембранные пузырьки и сами по себе способны к делению. Однако без нуклеиновых кислот они делают это чрезвычайно медленно. По мнению исследователей, возможно, ранняя эволюция живой клетки протекала так: сначала существовала популяция мембранных пузырьков, которые могли "пускать" внутрь себя различные молекулы. Они были вполне самодостаточны, поскольку могли вести обмен веществ с внешней средой и самостоятельно размножаться. Однако последнее у них происходило очень медленно, что мешало быстрому расселению и более эффективному осваиванию необходимых ресурсов.

И вот в какой-то момент получилось так, что эти древнейшие протоклетки заполучили ДНК (а согласно модели "РНК-мира" - РНК). Скорее всего, это было случайно, однако, оказавшись внутри, нуклеиновая кислота сразу же ускорила процесс деления во много раз. Дальше в дело вступил знакомый нам естественный отбор - ведь протоклетки, содержащие внутри нуклеиновые кислоты, могли быстрее расселяться и, соответственно, вытеснять из мест, богатых ресурсами, своих сородичей, таковых кислот не имеющих. В итоге последние вымерли, а протоклетка обрела наконец некоторые законченные черты. Отныне мир принадлежал лишь организмам, имеющим внутри ценные наследственные молекулы.

Читайте также:Ученые создали инопланетян. Все живы

По мнению авторов исследования, именно так и происходили первые шаги эволюции на планете в результате которых конгломерат органических веществ стал первой клеткой, и неживое превратилось в живое. Однако, кроме огромного значения для теоретической биологии, данный эксперимент может иметь и вполне прикладное значение - например, при создании синтетических организмов с заданными свойствами. Зная первые шаги жизни, можно будет попробовать создать клетку, что называется, "с чистого листа". И теперь, скорее всего, это получится...

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"