Канадські вчені методом еволюції в пробірці створили РНК-фермент (рибозим), здатний стійко відтворювати молекули РНК після специфічного розпізнавання їх промотора. Це робить істотний внесок у підтримку гіпотези зародження сучасного життя на Землі на основі РНК. Звіт про дослідження опубліковано в журналі.
Концепцію світу РНК вперше сформулював у 1962 році Александр Річ (Alexander Rich), термін ввів у 1986 році Волтер Гілберт (Walter Gilbert). Суть цієї гіпотези полягає в тому, що на зорі еволюції першою складною біомолекулою, здатною до самовідтворення і каталізу, була рибонуклеїнова кислота (РНК). Її мономери - нуклеотиди - могли утворюватися під час хімічних реакцій без участі живих систем, у 2020 році Томонорі Тотані (Tomonori Totani) запропонував статистичну модель її випадкового виникнення у Всесвіті. Пізніше РНК еволюціонувала в дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК), краще підходящу для зберігання генетичної інформації, а її з'єднання з пептидами - рібонуклеопротеїни - в білки, які краще виконують каталітичні, транспортні, структурні і сенсорні функції. Спадкоємцями світу РНК у сучасних організмах вважаються рибосоми, чия рибозимна активність відповідає за процес трансляції, а також універсальне виробництво і зберігання енергії у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ) і функціонування рибонуклеотидів як коферментів і сигнальних молекул.
Запропоновані й альтернативні теорії зародження життя на Землі. Також не виключено, що РНК-життя було не першим, але виявилася найбільш успішним. Проте гіпотеза світу РНК зараз домінує в науці, хоча і в ній є чимало прогалин. Один з них - пояснення виникнення полімеразних рибозимів (синтезують РНК на матриці РНК), які володіють достатньою процесивністю (здатністю приєднувати послідовні мономери без вивільнення отримуваного полімеру). Існуючі спроби їх створення особливим успіхом не увінчувалися через низьку аффінність таких рибозимів до матриці.
Петер Унрау (Peter Unrau) і Разван Кожокару (Razvan Cojocaru) з Університету Саймона Фрейзера припустили, що РНК-полімеразний рибозим може частково гібридизуватися зі специфічним праймером, який нагадує бактеріальний сигма-фактор ініціації транскрипції, що забезпечує зв'язування РНК-полімотози визначеними сигарами. Такий аналог ковзаючого зажима у відкритій конфігурації міг би знаходити матричну одноланцюжкову РНК і після її фіксації відокремлювати праймер від сайту його зв'язування з рибозимом, переводячи затиснутий в закриту форму і забезпечуючи процесивність. За схожим принципом працюють бактеріальні ДНК-залежні РНК-полімерази.
Щоб перевірити свою гіпотезу, автори роботи відштовхнулися від відомого РНК-полімеразного рибозиму B6.61, що складається з каталітичного лігазного ядра і додаткового домену, що забезпечує приєднання нуклеозидтрифосфатів (мономерів нуклеїнових кислот). У вихідну молекулу внесли зміни, додавши до неї праймер-зв'язувальний сайт, вставляючи випадкові послідовності до отримання 1013 варіантів біомолекули і видаливши зайву послідовність з додаткового домену. Отриманий пул молекул піддали 30 циклам спрямованої селекції, що відсіює неспецифічні до матриць варіанти і виділяє працездатні затиснуті і високу процесивність.
Шляхом подальшої еволюції в пробірці під дією різних мутагенів дослідники отримали функціональний РНК-полімеразний рибозим із затиском (clamping polymerase, CP). У ряді експериментів він успішно визначав промотори заданих РНК-матриць, зв'язувався з ними і ефективно виробляв їх копії подібно до того, як працюють ДНК-залежні РНК-полімерази прокаріот.
"Ця РНКова полімераза володіє багатьма характеристиками сучасних білкових полімераз; вона еволюціонувала так, щоб розпізнавати РНК-промотор і процесивно копіювати РНК. Отримані результати передбачають, що схожі рибозимі на ранніх стадіях розвитку життя могли набути настільки ж складні біологічні властивості ", - пояснив Унрау.
«Шляхом вивчення фундаментальної складності життя в лабораторних умовах, ми можемо почати оцінку ймовірності того, наскільки інші планети, такі як Марс, мали або досі мають потенціал для підтримки життя», - додав він.
Раніше дослідникам вже вдавалося використовувати «еволюцію в пробірці» для синтезу РНК-полімеразних рибозимів, але не володіють затиснутим і обмеженим за точністю синтезу. Також різні наукові колективи показали, що синтезу нуклеотидів при виникненні життя сприяла циклічна зміна вологості, а підходящою підкладкою для синтезу з них РНК могла служити глина.