: 28.03.2021
Химическая эволюция биомолекул: «смерть» против «монстра Шпигельмана»
Ученым удалось подобраться к разгадке одного эволюционного парадокса, который десятилетиями ставил их в тупик: как в результате простых химических реакций возникли сложные живые системы, если простые системы имеют конкурентное преимущество, так как воспроизводятся быстрее?
Пытаясь ответить на вопрос, как на Земле возникла жизнь, можно наблюдать и рассуждать. А можно ставить эксперименты, моделируя в условиях лаборатории эволюцию биологических макромолекул.
Что и сделал еще в 1967 г. американский молекулярный биолог Сол Шпигельман, известный разработкой метода гибридизации нуклеиновых кислот. В его ставших классическими экспериментах по «эволюции в пробирке» использовалась нуклеиновая кислота (РНК) бактериального вируса (бактериофага), которая «размножалась» с помощью фагового фермента, катализирующего синтез новой РНК по матрице уже имеющейся.
В реакционной смеси поддерживался избыток всех соединений, необходимых для экспоненциального роста концентрации РНК, при этом часть смеси периодически переносили в свежую среду. В результате молекулам РНК не приходилось конкурировать за «сырье», и их «выживаемость» определялась лишь скоростью, с которой размножалась каждая из них. Так было достигнуто необходимое для эволюционного процесса давление отбора.
В процессе этой «эволюции» скорость размножения РНК увеличилась, при этом те молекулы, которые размножались быстрее, стали вытеснять других. Одновременно их размер стал уменьшаться: после 74 переносов в новую среду они потеряли 83% генома по сравнению с РНК-«прародительницей». Это говорит о том, что в процессе адаптации к новым условиям молекулы РНК освобождались от всего, что мешало им ускорить размножение.
Позднее схожие результаты были получены для вирусной РНК – фрагмента генома ВИЧ. Такую молекулу РНК, уменьшающуюся в процессе эволюции, стали называть по имени первооткрывателя монстром Шпигельмана. Это чудовище, которое в процессе эволюции становится все более простым, все это время стояло на пути к ответу на вопрос о том, как возникали все более сложные молекулы и, в конечном итоге, сама жизнь.
Приблизиться к победе над монстром Шпигельмана удалось ученым из Гронингенского университета (Нидерланды). Они разработали самовоспроизводящуюся систему молекул в виде уложенных друг на друга колец разного размера, состоящих из трех или шести простых строительных блоков. При этом каждая стопка колец содержит одинаковые кольца.
В процессе химической «эволюции» молекулы, содержащие более крупные кольца, вытеснялись молекулами из маленьких колец – точно так, как и в экспериментах Шпигельмана и его последователей. Но все изменилось, когда исследователи ввели в свою систему новый фактор – «смерть», добавив к среде состав, который разрушает кольца. И кольца большего размера оказались более стойкими! Пусть маленькие кольца воспроизводились быстрее – такие молекулы было легче «убить».
Этот эксперимент открывает новые горизонты в исследованиях химической эволюции. Правда, чтобы приблизиться к модели настоящей, «по Дарвину», эволюции, нужно работать с более сложными системами, с определенным, ограниченным числом вариантов развития. Но монстр, охранявший дорогу к «жизни», кажется, все-таки побежден.
Фото: https://commons.wikimedia.org
: 28.03.2021 
