Ribozim yang dihasilkan, menyalin salinan cermin diri mereka • Alexander Markov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Biologi Molekul, Evolusi, Genetik

Dibuat ribozim, menyalin salinan cermin diri mereka

Rajah. 1. Oleh itu, pada permulaan kehidupan, ribozim yang berlanjutan bersama (L) dan kanan (D) boleh terjadi. Ribozyme kiri (L-Ribozyme) jahitan (ligates) oligonukleotida yang betul (D-oligonukleotide), bergabung dengan matriks pelengkap kanan (D-Template). Hasilnya adalah helix dua helai dua helai pelengkap RNA yang tepat (produk Duplex D). Kemudian ia dibongkar menjadi dua helai (pemisahan Strand), salah satunya (D-Ribozyme) memangkinkan sambungan oligonukleotida kiri (L-Oligonucleotide) pada matriks kiri (L-Template). Selepas pemisahan filamen dupleks yang terhasil, ribozim kiri terbentuk. Imej dari sinopsis ke artikel dalam perbincanganAlam

Para saintis Amerika masih merupakan langkah yang lebih dekat untuk mewujudkan kompleks molekul RNA yang mereplikasi diri, serupa dengan kehidupan bumi yang boleh dimulakan. Dengan evolusi tiruan, ribozim diperolehi yang memangkinkan sintesis matriks molekul RNA dari chirality bertentangan: RNA "kanan" memangkinkan replikasi "kiri" dan sebaliknya. Ribozymes baru boleh mensintesis salinan cermin mereka sendiri, yang seterusnya, memangkin replikasi ribozim yang asal. Kajian menunjukkan cara yang mungkin untuk menyelesaikan dua masalah,menghadapi teori dunia RNA: masalah pencegahan kiral (tidak seperti ribozim yang diperoleh sebelumnya – polimerase RNA, kerja ribozim baru tidak dihalangi dengan kehadiran nukleotida chirality bertentangan) dan masalah yang bergantung pada matriks. RNA RNA kiri dan kanan tidak membentuk hubungan Watson – Crick antara satu sama lain, oleh itu, kecekapan kerja ribozim baru tidak praktikal tidak bergantung kepada urutan nukleotida dalam matriks yang dapat ditiru.

Dalam kebanyakan versi teori dunia RNA, diandaikan bahawa pada tahap tertentu evolusi terdapat ribozim dengan aktiviti polimerase RNA, iaitu, molekul RNA yang mampu mempercepat replikasi (pembiakan) molekul RNA lain, seperti polimerase enzim protein moden. Secara teorinya, replikasi RNA pada subuh hidup tidak dapat dirumuskan secara langsung oleh ribozim, tetapi, katakanlah, peptida pendek (sintesis yang seterusnya dapat dikatalisasi oleh ribozymes) atau kompleks RNA-peptide. Tetapi andaian kewujudan molekul RNA yang boleh membiak molekul RNA secara langsung dan tanpa pengantara nampak lebih mudah dan oleh itu menggoda.

Organisme hidup moden tidak mempunyai ribozim dengan aktiviti RNA-polimerase. Ini tidak menghairankan: mereka sepatutnya telah digantikan lama dahulu oleh polimerase protein yang lebih cekap. Oleh itu, para saintis berusaha untuk mendapatkannya secara buatan, menggabungkan kaedah "evolusi buatan" dan "reka bentuk yang munasabah" (reka bentuk yang bertujuan).

Dalam "ruang urutan" yang besar (ruang urutan) semua molekul RNA yang mungkin, ribozim telah didapati yang boleh memangkinkan sintesis matriks RNA (tetapi dengan kecekapan yang agak rendah). Matriks adalah satu helai tunggal RNA, di mana helai pelengkap disintesis secara serentak dari nukleotida diaktifkan. Yang terbaik dari ribozim polimerase yang diperolehi dapat meniru matriks sehingga 206 nukleotida panjang, yang lebih panjang daripada ribozim itu sendiri (J. Attwater et al., 2013. Ribo polimerase ribozyme aktiviti). Ia juga mungkin untuk menunjukkan sintesis ribozyme berfungsi (dengan aktiviti pemangkin yang berbeza dan saiz yang lebih kecil) menggunakan ribozyme polimerase.

Kelemahan polimerase ribozim yang diketahui adalah kebergantungan kuat terhadap kecekapan mereka pada matriks. Tidak seperti polimerase protein, mereka tidak peduli pada nukleotida dan bagaimana susunannya dalam matriks yang disalin.Oleh itu, tidak semua matriks boleh direplikasi oleh ribozim ini (lihat: Ribozymes boleh menyebarkan satu sama lain, Elemen, 13 April 2011).

Ada cara lain – mencari kompleks ribozim dengan aktiviti ligase RNA, yang dapat mengumpulkan salinan satu sama lain dari potongan oligonukleotida (lihat: T. A. Lincoln, GF Joyce, 2009. Replikasi Berkekalan Enzim RNA; Rahsia Asal Kehidupan tidak lama lagi akan dibongkar, "Elemen", 12.01.2009). Dalam kes ini, kecekapan ribozim lebih bergantung kepada urutan nukleotida dalam molekul substrat (dalam kes ini, dalam oligonukleotida yang berkaitan), kerana ribozim mengiktiraf substrat dan menghubungkannya dengan menggunakan pautan Watson – Crick, berdasarkan prinsip pelengkap.

Sehingga kini, dalam kajian yang sama, kedua-dua ribozim memangkinkan pembiakan RNA dan molekul yang disebarkannya mempunyai kesejarahan yang sama: mereka hanya terdiri daripada nukleotida "betul" (termasuk enantiomer "kanan" ribosa). Ia adalah dari nukleotida yang betul bahawa semua molekul RNA dan DNA dalam sel hidup dibuat.

Jonathan T. Sczepanski dan Gerald F. Joyce dari Institut Penyelidikan Ellen Scripps mencadangkan bahawa pada awal kehidupan asimetri ini tidak, dan molekul RNA kanan dan kiri boleh bekerjasama untuk menyebarkan satu sama lain ( Rajah 1).Anggapan ini menarik kerana ia membantu menyelesaikan beberapa masalah yang sukar sekaligus.

Pertama, dalam tindak balas sintesis abiogenik nukleotida (lihat: Ahli kimia mengatasi halangan utama sintesis abiogenik RNA, Elemen, 05/18/2009) campuran nukleotida kanan dan kiri biasanya diperolehi. Untuk mengandaikan penguasaan primordial enantiom yang betul, seseorang mesti memahami bagaimana asimetri tersebut dapat diwujudkan. Beberapa pendekatan untuk menyelesaikan masalah ini telah dijumpai (J. E. Hein et al., 2011). Satu laluan untuk enantiopure RNA prekursor dari bahan permulaan yang hampir racemic). Tetapi teori itu akan lebih ekonomik jika mungkin untuk menunjukkan kemungkinan kemunculan kompleks molekul mereplikasi diri berdasarkan campuran racemik enantiomer kiri dan kanan. Dalam kes ini, evolusi Darwin bermula sebelum asimetri didirikan, yang kemudiannya boleh menjadi akibat daripada perkembangan evolusi, dan bukan premisnya.

Kedua, pendekatan sedemikian dapat menyelesaikan masalah pergantungan kecekapan polimerase pada urutan nukleotida dalam matriks yang dapat ditiru – hubungan yang belum lagi dibenarkan untuk penciptaan polimerase ribozyme yang benar-benar sejagat. Salah satu sebab utama kebergantungan ini ialah hubungan Watson-Crick dibentuk antara ribozim dan matriks, berdasarkan prinsip pelengkap.Tetapi molekul RNA kanan dan kiri tidak membentuk ikatan tersebut antara satu sama lain dan tidak melipat ke helix berganda. Sekiranya kita boleh mendapatkan, contohnya, ribozyme yang betul yang mereplikasi matriks kiri dengan memolimerkan mono kiri atau oligonukleotida, maka ada kemungkinan bahawa ribozim tersebut tidak akan bergantung kepada urutan nukleotida dalam matriks. Lagipun, ribozim dalam kes ini perlu mengenali substratnya dan bekerja dengannya tanpa menggunakan prinsip pelengkap. Dalam erti kata lain, dia perlu melakukan semua ini, tidak bergantung kepada struktur utamanya, tetapi pada peringkat ketiga, sama seperti enzim protein yang berfungsi dengan asid nukleik.

Penulis berjaya memperoleh ribozyme yang dikehendaki – polimerase RNA silang – dari urutan nukleotida rawak hanya dalam 16 generasi evolusi buatan dengan elemen reka bentuk yang disasarkan. Mereka bermula dengan populasi 1015 molekul RNA yang betul (D-RNA) dengan urutan rawak. Satu ikatan kovalen (melalui "jambatan" fleksibel perantaraan – molekul sintetik panjang) dilampirkan kepada setiap molekul oleh matriks – molekul RNA kiri (L-RNA) dengan primer, yang dilampirkan dengan primer (Rajah 2).Oligonukleotida kiri yang saling melengkapi pada bahagian tunggal matriks matriks telah ditambah kepada penyelesaiannya. "Tugas" molekul D-RNA adalah untuk melampirkan oligonukleotida ini kepada primer, sehingga menghasilkan molekul L-RNA yang melengkapi template.

Rajah. 2 Pembinaan molekul yang digunakan dalam 10 generasi pertama pemilihan (a), 6 generasi seterusnya (b) dan ribozyme yang dihasilkan (c). Dalam gambar a garis hitam di bawah adalah molekul D-RNA yang berkembang yang terdiri daripada dua kawasan tetap di sepanjang tepi dan urutan rawak 70 nukleotida di tengah (N70). Kimia "jambatan" (pautan) ditunjukkan garis bergelombang. Biru Molekul L-RNA digambarkan: matriks dengan primer yang dilampirkan dan oligonukleotida GACUGGUC dengan molekul biotin yang melekat padanya (B). Anak panah melengkung tempat di mana D-RNA harus ligan ditunjukkan: melegakan oligonukleotida dengan primer. Dalam gambar b dalam hijau memasukkan tambahan 30 nukleotida rawak (N30). Gambar dari artikel dibincangkan di Alam

Molekul biotin dilampirkan kepada oligonukleotida supaya ribozim yang berjaya mengatasi tugas itu boleh dipilih menggunakan manik yang disalut dengan streptavidin (lebih lanjut mengenai kaedah ini memilih molekul yang berkembang, lihatdalam berita Polimer buatan boleh menyimpan maklumat genetik, "Unsur", 04/23/2012).

Ribozymes, berjaya menyusun oligonukleotide kepada primer, dipilih dan didarab dengan menggunakan transkripsi dan PCR terbalik. Sejak generasi ke-7, PCR yang tidak tepat (rawan kesalahan) PCR telah digunakan untuk meningkatkan kepelbagaian genetik penduduk percubaan. Pemilihan secara beransur-ansur diperketat: dalam generasi pertama, molekul D-RNA diberikan 16 jam untuk melakukan kerja, oleh generasi ke-10 kali ini dikurangkan menjadi 5 minit.

Selepas 10 generasi, ribozim yang dihasilkan telah diperiksa dengan teliti, pusat aktif mereka ditentukan, dan plot tambahan dikeluarkan dengan tangan. Empat nukleotida di pusat aktif digantikan dengan memasukkan 30-nukleotida dengan urutan rawak, selepas itu evolusi buatan terus selama 6 generasi lagi.

Hasilnya adalah polimerase RNA cross-chiral yang berkesan dengan panjang hanya 83 nukleotida (Rajah 2, b). Ribozim ini mempercepatkan reaksi lampiran oligonukleotida kepada primer dengan sejuta kali berbanding dengan tindak balas yang sama yang terjadi apabila tiada polimerase.

Ribozyme telah dikaji secara meluas. Ternyatabahawa dia melakukan tugasnya dengan baik – mereplikasi matriks L dengan menjahit L-nukleotida yang melengkapi primer dengan primer – dan jika matriks atau primer tidak dilampirkan (semasa evolusi buatan, seperti yang disebutkan di atas, mereka dilampirkan ribozyme dengan "jambatan" yang fleksibel).

Ia juga menunjukkan bahawa salinan cermin D-ribozyme yang diperoleh (versi L -nya) boleh berfungsi dengan cara yang sama dengan D-matriks dan substrat D. Sekiranya anda mencampurkan ribozim, ranting (oligonukleotida) dan matriks ke kanan dan kiri, maka D-ribozyme berfungsi hanya dengan L-substrat, mereplikasi L-matriks, dan L-ribozyme – hanya dengan substrat D, dan semua ini berlaku serentak. Ribozymes tidak mengganggu satu sama lain, kerana mereka tidak membentuk hubungan Watson – Crick antara satu sama lain atau dengan substrat. Setiap ribozim mengiktiraf substratnya bukan oleh urutan nukleotida, berdasarkan prinsip kesesuaian, tetapi entah bagaimana secara berbeza – nampaknya, berdasarkan struktur tersiernya, sama seperti enzim protein yang bekerja dengan RNA dan DNA.

Eksperimen selanjutnya menunjukkan bahawa ribozyme baru mampu lebih daripada menyusun oligonukleotida piawai kepada primer piawai pada matriks piawai.Ia boleh meniru pelbagai jenis matriks chirality yang bertentangan dengan menggunakan oligonukleotida yang berbeza dan juga nukleotida aktif individu (sebagai polimerase protein dan ribozim polimerase diperoleh terlebih dahulu bekerja dengan substrat yang sama kirality, lihat Rajah 3). Benar, dia dapat melampirkan nukleotida G dan C jauh lebih baik daripada A dan U. Mungkin ini disebabkan oleh fakta bahawa semasa evolusi tiruan dia "diajar" untuk menyambung dua oligonukleotid, salah satunya berakhir di C, dan yang lain bermula dari G (Rajah 2). Tetapi penulis percaya bahawa ini adalah perkara yang boleh diperbaiki. Lagipun, ribozyme mereka masih sangat "muda": hanya 16 generasi evolusi tiruan yang memisahkannya daripada urutan rawak. Kemungkinan besar, pada masa akan datang ia akan dapat diperbaiki dengan ketara.

Rajah. 3 Dua contoh panjang matriks (50 dan 49 nukleotida) yang direplikasi oleh ribozyme kiri – polimerase RNA silang-kiral – dengan menggabungkan pelbagai oligo dan mononukleotida sebelah kanan. Tempat di mana ribozyme bergabung (disalin) serpihan molekul RNA disintesis ditunjukkan titik. Guanosine (G) selalu bertindak sebagai mononukleotida, kerana dengan nukleotida lain ribozim berfungsi lebih kurang efisien. Gambar dari artikel dibincangkan di Alam

Kelebihan ribozim yang tidak diragukan adalah bahawa ia sangat selektif berkenaan dengan nukleotida kesejagatan yang berbeza: D-ribozyme hanya menggunakan L-nukleotida dan sebaliknya. Jika kita mencadangkan campuran nukleotida kiri dan kanan sebagai substrat untuk D-ribozyme, maka ia hanya menggunakan hanya L-nucleotides untuk replikasi matriks L (dan ia hanya mengabaikan D-matriks dan D-nukleotida). Kehadiran D-nukleotida dalam penyelesaian tidak memperlambat replikasi matriks L oleh D-ribozyme.

Hasilnya adalah sangat penting kerana ia menyelesaikan satu lagi masalah teori dunia RNA – masalah "penghambatan kiral". Mekanisme "prebiotik" replikasi RNA yang telah dikaji setakat ini (dan replikasi bukan enzimatik yang sangat sukar, sangat sukar, dan replikasi yang lebih efisien dengan menggunakan ribozim yang sama) hanya tidak berfungsi dengan adanya nukleotida aktif chirality yang bertentangan. Replikasi matriks yang betul dihalang oleh secara rawak menyertai nukleotida kiri. Oleh itu, ujikaji mengenai replikasi nonenzimatik dan penghapusan ribozim-polimerase secara tradisinya telah dijalankan dalam persekitaran "tulen", iaitu, di hadapan hanya nukleotida yang betul (ribozim yang betul dan betul digunakan).Pada masa yang sama, persoalan bagaimana persekitaran seperti "suci tulen" boleh timbul pada subuh kehidupan disapu di bawah permaidani. Pembukaan Schepanski dan Joyce memberikan penyelesaian yang indah untuk masalah ini.

Sebagai percubaan akhir yang menunjukkan kemungkinan polimerase RNA cross-chiral yang baru, penulis mencadangkan kepada D-ribozyme mereka untuk memasang salinan cermin mereka sendiri (L-ribozyme) dari 11 buah yang sesuai – oligonukleotides. Eksperimen ini berjaya, dan L-ribozyme diperoleh dengan cara ini ternyata agak berfungsi (untuk keyakinan lengkap, ia secara khusus diuji untuk keupayaannya untuk meniru D-RNA). Para penulis mencatatkan bahawa, sejauh yang mereka tahu, ini adalah laporan pertama mengenai sintesis ribozyme aktif oleh enansiomerinya sendiri.

Kehidupan moden didasarkan semata-mata pada RNA kanan dan molekul DNA, tetapi adakah ia dari awal lagi? Keputusan Schepanski dan Joyce menunjukkan bahawa mereka tidak. Tetapi jika polimerase RNA silang-chiral benar-benar memainkan peranan pada peringkat awal kehidupan, maka persoalan semula jadi muncul tentang bagaimana ribozim ini muncul. Jelas sekali, sebelum penampilan mereka, terdapat beberapa sistem yang lebih primitif untuk mensintesis molekul RNA "kiri kanan" dan "tulen" RNA.Ia boleh berasaskan sama ada pada polimer lain yang tidak mempunyai enantiomer dan boleh mempercepatkan pempolimeran nukleotida dari kesejatian yang sama, menghasilkan kedua-dua molekul RNA kiri dan kanan, atau replikasi bukan enzim RNA (lihat Sintesis RNA dalam "protocell" masih mungkin, "Unsur", 02.12.2013), di mana pemilihan polimer kiri atau kanan "tulen" entah bagaimana berlaku. Selepas itu, molekul RNA tersebut memperoleh keupayaan untuk memangkin replikasi molekul chirality yang bertentangan, yang membolehkan masyarakat masyarakat molekul kiri dan kanan membiak untuk membentuk. Selain itu, molekul-molekul ini tidak perlu menjadi imej cermin antara satu sama lain, seperti dalam eksperimen yang dijelaskan: mereka mungkin berbeza.

Peralihan dari komuniti permulaan dan simetri awal RNA kiri dan kanan ini untuk mengatasi mutlak molekul-molekul yang betul mungkin telah berlaku akibat daripada "ciptaan" evolusi yang penting yang dibuat oleh peluang ribozim yang tepat. Ciptaan sedemikian boleh, sebagai contoh, sintesis peptida terkawal.Peptida tidak lama lagi mengambil alih fungsi mereplikasi RNA yang betul. Selepas itu, RNA kiri menjadi berlebihan dan hilang: menurut ungkapan kiasan pengarang, "sebelah kiri cermin gelap". Tetapi semua ini, tentu saja, setakat ini hanya lakaran kasar. Untuk menjadikannya teori yang meyakinkan, banyak lagi penemuan yang perlu dibuat.

Sumber: Jonathan T. Sczepanski, Gerald F. Joyce. Ribozyme RNA polimerase silang-chiral // Alam. Diterbitkan dalam talian 29 Oktober 2014.

Lihat juga:
1) Ribozymes boleh menyebarkan satu sama lain, "Unsur", 04/13/2011.
2) Sintesis RNA dalam "protocell" masih mungkin, "Unsur", 02.12.2013.
3) Misteri asal hidup akan segera dibongkar ?, "Elemen", 12.01.2009.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: