Теперь, когда у нас хотя бы в общих чертах наметился сценарий сборки протоклеток, представлявших собой упрощенные версии современных живых клеток – то есть мембранных оболочек, внутри которых заключены нуклеиновые кислоты, – мы готовы перейти к ответу на самый трудный вопрос: как такие простые протоклетки без всяких развитых механизмов начали расти, делиться, реплицировать свои РНК и эволюционировать. Как всегда, когда перед нами встает настолько большая и сложная проблема, стоит разбить ее на мелкие, более удобоваримые части, с которыми можно работать более или менее независимо. Как только мы разберемся в происходящем благодаря такому классическому редукционистскому подходу, у нас появятся все возможности обратить этот процесс и попытаться выстроить цельную картину воспроизводства протоклетки. Начнем с разбора вопроса, как может происходить репликация РНК безо всякой помощи ферментов и РНК-ферментов, возникших в ходе эволюции, то есть посредством чисто физических и химических процессов.

Главная черта РНК – не ее химический состав, а скорее последовательность элементов-нуклеотидов. Речь идет о нуклеотидах А, У, Г и Ц, последовательность которых кодирует информацию, и во время репликации эта последовательность должна быть сохранена. Репликацию РНК можно принципиально разделить на две фазы: сначала нужно скопировать цепочки РНК, создав тем самым комплементарную последовательность, а затем надо скопировать уже комплементарную цепочку, чтобы создать новую копию изначальной последовательности.

Основа химии копирования – связывание оснований по Уотсону – Крику – Франклин (в честь первооткрывателей этого процесса Джеймса Уотсона, Фрэнсиса Крика и Розалинд Франклин): У связывается с А, Г – с Ц. Следовательно, чтобы сделать комплементарную копию цепочки РНК, достаточно всего лишь соединить правильную серию комплементарных нуклеотидов. Именно это происходит во всей живой материи в наши дни: полимеразные ферменты движутся вдоль цепочки-матрицы и добавляют комплементарные нуклеотиды по одному к растущей новой цепочке. Ферменты очень сильно ускоряют этот процесс, а кроме того, делают его более точным, но и без них можно достичь похожих результатов.

Химические механизмы, стоящие за неферментным копированием РНК, описал Лесли Орджел с коллегами и учениками. Эта работа началась в конце шестидесятых и продолжалась до начала двухтысячных. Главным открытием Орджела было то, что субстраты, при помощи которых РНК и ДНК копируются и синтезируются в живой материи, а именно нуклеозидтрифосфаты (они же НТФ – нуклеозиды, содержащие азотистое основание, связанное с пятиуглеродным сахаром, причем с этим сахаром связаны еще три фосфатные группы), прекрасно подходят для синтеза с участием ферментов-катализаторов, но совершенно не годятся для неферментной реакции. Дело в том, что НТФ относительно слабо реакционноспособны сами по себе, и для ускорения реакций копирования нужен фермент. Поэтому, если мы хотим скопировать матрицу РНК без помощи ферментов, нужны гораздо более реакционноспособные нуклеотиды. Испробовав самые разные варианты, Орджел сосредоточился на нуклеотидах, которые были активированы присоединением к 5'-фосфату имидазольной группы (которая содержит три атома углерода, два – азота и четыре – водорода). Эти соединения и вправду достаточно реакционноспособны, чтобы собираться в комплементарную цепочку сразу после того, как согласуются с матричной молекулой РНК через связывание оснований. Для начала семидесятых это было колоссальным прогрессом, и ученые преисполнились оптимизма и решили, что проблема репликации древней РНК скоро будет решена.

Однако этого не произошло, и вскоре стало очевидно, в чем недостатки таких химических реакций: хорошо копировались только цепочки, очень богатые Ц, а РНК, содержащие все четыре нуклеотида, не копировались вообще. Вдобавок, чтобы добиться хоть какого-то копирования, требовались сверхвысокие концентрации нуклеотидов, активированных имидазолом, а все считали, что это не соответствует реальным предбиологическим условиям. Наконец, эти реакционноспособные субстраты относительно быстро гидролизовались в воде, и в то время не было известно ни одного способа регенерировать активированные нуклеотиды, который имел бы смысл с точки зрения предбиологических условий. А к рубежу тысячелетия прогресс застопорился настолько, что и сам Орджел, и большинство других ученых в этой сфере пришли к заключению, что проблема неферментного копирования настолько сложна, что едва ли можно надеяться на ее решение. Такое разочарование в РНК привело к расцвету альтернативной гипотезы: вероятно, у РНК был какой-то прародитель, более простой генетический материал, который легче было реплицировать, а РНК каким-то образом вытеснила его позднее в эволюционной истории жизни. Почти все девяностые и начало двухтысячных эта гипотеза доминировала в сообществе исследователей происхождения жизни, но в конце концов, несмотря на целый фейерверк нестандартных и увлекательных химических исследований, не было найдено ничего, что послужило бы этой цели лучше РНК. И тогда, в тот самый момент, когда терпение тех, кто искал пути к репликации, начало истощаться, произошел поразительный поворот.

Часто говорят, что самые страшные катастрофы никогда не бывают вызваны какой-то одной причиной – это всегда следствие череды ошибок. Верно и противоположное, и в этом случае путь к более точному, быстрому и полному копированию РНК был найден благодаря сочетанию двух разных открытий. Первое было относительно простым и имело отношение к природе группы, активирующей нуклеотиды. В начале восьмидесятых группа Орджела открыла, что определенное производное имидазола под названием 2-метилимидазол активирует нуклеотиды лучше обычного имидазола. Хотя не было причин полагать, что это соединение имеет какое-то особое значение для предбиологической химии, как модель оно служило хорошо. Однако еще 35 лет не предпринималось никаких дальнейших усилий по исследованию этих химических реакций. В 2016 году Ли Ли из лаборатории Шостака провела систематическую оценку воздействия вариаций в структуре активирующей группы и обнаружила, что, если заменить метиловую группу на аминогруппу, это очень заметно повышает и темп, и охват реакций копирования РНК. Дальнейшие исследования показали, что 2-аминоимидазол (2АИ) можно получать двумя разными путями, причем оба они возможны в предбиологической химии. Более того, 2АИ получается из той же смеси реагентов, что и его близкий родственник 2АО, а это вещество, как мы уже отмечали, служит предшественником нуклеотидов. Следовательно, 2АИ – возможный кандидат на роль соединения, активировавшего нуклеотиды в реальных предбиологических условиях.

Второе достижение в химии копирования РНК было даже неожиданней, чем открытие 2АИ, потому что неферментное копирование РНК фундаментально отличается от того, что происходит в современной живой материи. Здесь главное препятствие к выявлению верного механизма оказалось концептуальным. Представление, что реакции копирования РНК должны идти примерно так же, как и в биологической парадигме, так глубоко укоренилось, что было сложно представить себе другие варианты. Однако задним числом видно, что намеки на расхождение между химическим и биологическим механизмом прослеживались еще в статье, которую опубликовала лаборатория Орджела в конце восьмидесятых. Проведя серию тщательно продуманных остроумных экспериментов, группа Орджела показала, что когда с матричной последовательностью РНК рядом с РНК-праймером (или затравкой – короткой одноцепочечной нуклеиновой кислотой) связан только один активированный нуклеотид, готовый, таким образом, реагировать, реакция идет очень медленно. Но стоит присоединить к матрице второй активированный нуклеотид – сразу после первого от РНК-праймера – и реакция первого с праймером пойдет несопоставимо быстрее. Иначе говоря, дальний нуклеотид катализирует реакцию ближнего с праймером. Орджел, конечно, заметил этот загадочный каталитический эффект, но никаких дальнейших исследований, по-видимому, не было.

Через несколько десятилетий этот эффект был открыт заново, и сделал это Ноам Прайвз из лаборатории Шостака. Как говорится, всего несколько месяцев трудов в лаборатории – и вы будете избавлены от нескольких часов трудов в библиотеке. Когда этот каталитический эффект был надежно подтвержден, стало очевидно, что его понимание будет ключом к загадке быстрого и производительного копирования РНК. Однако на изучение механизма каталитического эффекта потребовалось много времени и сил, и в очередной раз лимитирующей стадией оказалось преодоление еще одного ошибочного предубеждения. Первоначально считалось, что каталитический эффект вызван физическим взаимодействием между ближним и дальним нуклеотидами, которое помогало ориентировать ближний нуклеотид так, чтобы ему проще было реагировать с праймером. Более того, поскольку для каталитического эффекта нужно было активировать оба нуклеотида, считалось, что взаимодействие должно идти между активирующими группами двух нуклеотидов. Компьютерное моделирование методом молекулярной динамики показало, что две активирующие группы могли даже соприкасаться, причем разными способами, но ни один из них не мог очевидным образом стимулировать реакцию удлинения праймера. Подобным же образом кристаллографический анализ не показал никакого стабилизирующего взаимодействия между двумя активирующими группами. В конце концов точки над «i» расставил важнейший эксперимент, который провел Трэвис Уолтон, новый студент в группе Шостака. Было обнаружено, что, когда два нуклеотида смешиваются в присутствии комплекса матричной РНК и РНК-праймера, требуется чуть ли не полчаса, чтобы каталитический эффект стал очевидным. Эта длиннейшая задержка указывала, что два нуклеотида все-таки взаимодействуют, но это взаимодействие происходит через образование промежуточного продукта, которому нужно время, чтобы накопиться. Вскоре после этого открытия гипотетический промежуточный продукт в процессе удлинения праймера был идентифицирован благодаря тщательному химическому анализу. Оказалось, что это необычный, еще не виданный динуклеотид – то есть новое химическое вещество, в структуре которого два нуклеотида, соединенные одной из активирующих имидазольных групп. Такой тип молекулы мы будем называть мостиковым субстратом.

Роль мостиковых субстратов в химии копирования РНК поначалу вызывала споры. В частности, возникал вопрос, может ли такая молекула связаться с матричной цепочкой РНК двумя парами оснований. Для этого мостик должен был послужить своего рода дверной петлей, чтобы два нуклеотида могли лечь бок о бок, но при этом под нужным углом, чтобы основания могли спариться с нуклеотидами матрицы. Чтобы получить полный ответ на этот вопрос, потребовались исследования структур, и кристаллография высокого разрешения ясно показала, что мостиковые субстраты и правда могут связываться с матричной РНК двумя парами оснований по Уотсону – Крику – Франклин.

Дальнейшие кристаллографические исследования обеспечили настоящий прорыв. Они показали, как поэтапно происходит процесс неферментного удлинения праймера внутри кристаллов. На первом этапе видно, как активированные мономеры связываются с матрицей рядом с праймером. Через некоторое время два активированных мономера реагируют друг с другом, образуя мостиковый промежуточный продукт. На последнем этапе этот мостиковый продукт реагирует с праймером, который удлиняется на один нуклеотид, а дальняя половина мостикового продукта освобождается. Возможность почти буквально увидеть этапы реакции копирования преподала три важных урока в понимании, почему роль мостикового промежуточного продукта так важна. Во-первых, связь матрицы не с одной, а с двумя парами оснований объясняет, почему удлинение праймера требует настолько меньше мостикового продукта, чем мономеры, гораздо меньше, чем было нужно, чтобы насытить матрицу посредником. Во-вторых, сам по себе мостик был расположен в трехмерном пространстве именно так, чтобы способствовать реакции с праймером, что объясняет, почему реакция шла быстрее. В-третьих, новая активирующая группа стабилизировала структуру мостикового промежуточного продукта, тем самым позволив ему накопиться в большей концентрации, и к тому же, вероятно, сделала его трехмерную структуру более жесткой.

Располагая этой информацией, ученые могли быстрее совершенствовать свои знания в химии копирования. В частности, они рассмотрели мостиковые субстраты, где один нуклеотид соединен мостиком с олигонуклеотидом (а не с другим одиночным нуклеотидом) дальше от праймера. Это дает матрице дополнительную пару оснований, и тогда копирование матрицы идет еще быстрее и при еще более низких концентрациях субстратов. С другой стороны, конкуренция между разными видами мостиковых субстратов за связь с матрицей, по-видимому, замедляет копирование матрицы в целом. Поиски оптимального компромисса между конкурирующими факторами, в число которых входят сила связи с матрицей, конкуренция молекул и реакционная способность, стала в наши дни предметом активных исследований, цель которых – повысить скорость и точность копирования РНК в условиях, возможных на ранней Земле.