Достижения в изучении неферментного копирования РНК, кратко описанные выше, вытащили на свет очередную проблему: как перейти от простого копирования матрицы к самому главному – к повторяющимся циклам репликации. Проблема репликации (например, копирования копий) неожиданно сложна, и у нее долгая история случайных успехов, отступлений и тупиков. Если посмотреть, как геномная репликация работает в биологии, это поможет нам понять, почему неферментная репликация – это так трудно.

Биологическая репликация всегда и везде задействует сложные биохимические механизмы, возникшие в результате эволюции, и эти механизмы работают в несколько этапов. Как правило, репликация начинается с определенного стартового участка, который распознают специализированные белки. Затем высокоактивные полимеразные ферменты катализируют копирование длинных последовательностей ДНК (или РНК в РНК-вирусах). Важно отметить, что в клетках копируется двойная цепочка ДНК (дуплекс), что дает два дочерних ДНК-дуплекса. Этот процесс устроен так, что две цепочки родительского дуплекса разделяются в точке, которая называется репликационной вилкой, и делают это особые ферменты (хеликазы), которые задействуют для этого энергию, поставляемую молекулой АТФ (аденозинтрифосфат, служащий «энергетической валютой» в современных клетках), чтобы разорвать азотистые основания, скрепляющие цепочки ДНК вместе. Интересно, что это та самая молекула АТФ, которая вместе с ГТФ, ЦТФ и УТФ синтезирует РНК в современных клетках. Репликационная вилка движется вдоль спирали, и ее цепочки поодиночке копируются и превращаются в дуплексы ДНК. Наконец, репликация завершается в особых местах генома, где другие белки подхватывают все хвостики цепочек и демонтируют репликационный аппарат. Этот процесс, тщательно срежиссированный и отточенный в ходе эволюции, развивался, очевидно, пошагово из менее сложных систем-предшественниц. Как же нам понять, каковы были более простые способы репликации, чтобы разобраться, как могла происходить репликация в протоклетке? Начать можно, например, с репликации у вирусов, особенно – у относительно простых РНК-вирусов, которые инфицируют бактерии. Эти системы изучены во всех подробностях, однако, несмотря на их относительную простоту, у них есть много общих черт с репликацией в клетках: производительные полимеразы, которые очень быстро копируют длинные отрезки РНК, особые приспособления для того, чтобы начать и закончить копирование в определенных местах, и ферменты-хеликазы, которые разделяют цепочки дуплекса. В момент зарождения жизни эволюция еще не создала всю эту систему, поэтому первобытная репликация должна была быть совсем другой и гораздо более простой.

Поскольку нам нужен менее хитроумный подход к репликации, вспоминается полимеразная цепная реакция, она же ПЦР. Этот надежный метод в наши дни используется повсеместно для того, чтобы повысить концентрацию остатков ДНК до практически измеряемого уровня, и это требуется в самых разных областях – от криминалистики до реконструкции путей миграции древнего человека. Этот метод удостоился Нобелевской премии и обрел еще более широкую известность благодаря его применению в тестах на COVID-19.

Главные компоненты ПЦР очень просты – производительная полимераза, стабильная при высоких температурах, специфические праймеры ДНК, которые определяют, где начать реакцию копирования, и циклы изменений температуры, поскольку цепочки дуплекса разделяются при высокой температуре, а фермент копирует одиночные цепочки при более низкой. Могли ли циклы изменения температуры участвовать в репликации в предбиологических условиях? Казалось бы, есть прямой смысл применять для разделения цепочек ДНК простые флуктуации температуры, а не сложные ферменты, возникшие в ходе эволюции. Флуктуации температуры, достаточно сильные, чтобы обеспечить амплификацию ПЦР, можно вызвать наподобие конвекции при подогреве кастрюли с водой на плите: вода циркулирует с нагретого дна кастрюли к более прохладной поверхности, которая контактирует с воздухом. Но это оставляет открытым вопрос о праймерах, которые размечают места, где полимераза начинает копировать ДНК. Поскольку запас праймеров с определенными последовательностями никак не мог возникнуть в предбиологических условиях, о репликации линейной геномной последовательности РНК можно забыть. Это оставляет единственный логичный вариант – кольцевой геном: у кольца нет ни начала, ни конца, поэтому неважно, где копирование начинается и где кончается.

Снова обратимся за моделью к биологии, где существуют так называемые вироиды, мелкие РНК-паразиты РНК-вирусов, которые применяют механизм кольцевой репликации: полимераза начинает копировать кольцевую матрицу и просто ходит по кругу, разматывая длинную комплементарную цепочку, содержащую повторяющиеся копии кольцевой геномной последовательности. Затем встроенный РНК-фермент разрезает длинную мультимерную (состоящую из нескольких единиц) цепочку на отдельные единицы, а потом он же склеивает их в кольца, после чего процесс повторяется. Эта процедура кажется достаточно несложной, но требует очень активной полимеразы, которая способна провести процесс «синтеза с вытеснением цепи»[23], а кроме того, для нее нужен РНК-фермент, умеющий разрезать и склеивать цепочки. Все эти требования явно слишком строги для той эпохи, когда репликация только начиналась и даже рибозимы-полимеразы еще не успели эволюционировать.

Раз так трудно найти способ реплицировать геном РНК без ферментов и других ингредиентов наподобие специфических праймеров и РНК-ферментов, которые едва ли имелись на молодой Земле, можно – и даже нужно – задаться вопросом, нет ли пути попроще. Недавно один из нас (Шостак) предложил новую модель того, как, вероятно, была устроена репликация первоначальной РНК. Кстати, к созданию этой модели автора подтолкнули споры в SETI во время пандемии COVID-19, когда лаборатории закрылись и проводить эксперименты временно стало нельзя. Делать было нечего, оставалось только думать, и так и появилась возможность избавиться от некоторых биологических предрассудков, которые мешали исследованиям в прошлом.

Следуя знаменитому афоризму Шерлока Холмса – «отбросьте невозможное – и то, что останется, каким бы невероятным оно ни казалось, должно быть истиной»[24] – Шостак и его коллеги попытались собрать воедино разнообразные физические процессы и химические реакции, которые считали возможными. Их целью было сгенерировать такой способ репликации, который не требовал бы нереалистичных или крайне маловероятных изначальных условий. Получившуюся модель мы следом за ее создателями условимся называть виртуальный кольцевой геном или модель ВКГ. Она сочетает в себе все преимущества кольцевого генома, у которого нет ни начала, ни конца, а значит, не нужны особые способы начинать с начала и останавливаться в конце. Копирование может начинаться и кончаться где угодно. Однако в новой модели кольцевой геном виртуален – то есть не должно быть никаких реальных кольцевых молекул. Вместо этого кольцо представлено набором перекрывающихся фрагментов, складывающихся в кольцевую последовательность. Затем модель задействует надежно проверенную экспериментально химию копирования матрицы путем удлинения праймеров и путем сшивания. Так как геном протоклетки содержит короткие цепочки РНК, которые произошли от обеих цепочек кольцевого генома, перекрывающиеся пары таких олигонуклеотидов будут соединяться и формировать короткие дуплексы с выступающими концами. Эти концы – те места, где может произойти и удлинение праймера, и сшивание. Таким образом, в присутствии активированных нуклеотидов и мостиковых промежуточных продуктов можно ожидать копирования небольших участков матрицы, которые в совокупности перекрывают все кольцо. Согласно модели ВКГ копирование происходит не целенаправленно, от одного конца до другого, а по кусочкам, которые составляют кольцо целиком. Наконец, модель задействует колебания условий, в том числе флуктуации температуры, так что сегменты, соединенные парами оснований, разъединяются, а затем сцепляются случайным образом, и каждый цикл перетасовывает наборы олигонуклеотидов, спаренных друг с другом. Это даст возможность производить копирование понемногу на разных участках на протяжении каждого цикла. В принципе, повторение этого процесса должно дать репликацию полного кольца. Неизвестно, происходило ли такое на самом деле или это просто досужий вымысел, неосуществимый на практике. Тем не менее сейчас идет интенсивный теоретический анализ и экспериментальная проверка этой модели.

Несмотря на все недавние достижения в поисках потенциальных предбиологических путей синтеза рибонуклеотидов и копирования цепочек РНК без ферментов, все же имеет смысл задуматься о том, что жизнь могла начаться с какой-то другой нуклеиновой кислоты, которая затем уступила место РНК. Интерес к такой гипотезе вспыхнул с новой силой, когда Альберт Эшенмозер, один из величайших химиков, так и не получивший Нобелевскую премию (и, увы, скончавшийся в 2023 году), показал, что пестрая коллекция искусственных нуклеиновых кислот выглядит совсем как настоящие генетические полимеры. Эшенмозер придумал, а затем химически синтезировал целый ряд химически разных нуклеиновых кислот с неприродными сахарами и связями между сахарами и фосфатами. Как ни странно, многие из этих полимеров были способны на связывание оснований по Уотсону – Крику – Франклин и формировали двойные спирали – дуплексы, похожие на РНК и ДНК. Примечательно, что некоторые из этих полимеров могли даже связываться основаниями с РНК и ДНК, а некоторые формировали разные группы, члены которых могли связывать основания друг с другом, но не с членами других групп. Эти результаты сразу же заставили задаться вопросом, могут ли какие-то из этих искусственных нуклеиновых кислот создать генетическую основу для альтернативных форм жизни.

Как проверить такое предположение экспериментально? Это трудная задача, поскольку невозможно протестировать все варианты. Однако мы в силах подробно изучить несколько особых случаев, которые представляются возможными в предбиологических условиях. Два таких примера подробно разобрали в лаборатории Шостака. Эти альтернативные полимеры называются АНК (арабинонуклеиновая кислота) и ТНК (треонуклеиновая кислота), и для обеих уже доказано, что они могли присутствовать на ранней Земле. АНК отличается от РНК только тем, что у нее 2'-гидроксил сахара находится не под кольцом сахара, а над ним, а ТНК – только тем, что у ее сахара нет 5'-углерода. Нуклеотиды, составляющие АНК и ТНК, вполне могут быть побочными продуктами уже известных реакций синтеза стандартных составляющих частей РНК. Что же было бы, если эти нестандартные нуклеотиды и в самом деле производились вместе с обычными рибонуклеотидами в рамках какого-то предбиологического сценария? Эксперименты показали, что обе эти альтернативные нуклеиновые кислоты не так активно, как РНК, участвуют в реакциях копирования матрицы, поэтому проигрывают в конкуренции с РНК (вспомним утверждение «РНК всегда побеждает»). Однако цепочки РНК, которые содержат в себе альтернативные нуклеотиды как примеси, могут быть копированы. Примечательно, что процесс копирования предпочтительно генерирует РНК. В результате через много циклов копирования смесь генетических молекул будет состоять почти исключительно из РНК. Это весьма удовлетворительный результат, поскольку он хотя бы отчасти объясняет, почему жизнь на Земле началась с РНК. Однако предстоит еще большая работа, поскольку до сих пор было изучено лишь совсем немного альтернатив РНК.