Космологические и комбинаторные основания редкости жизни в наблюдаемой вселенной

[EmperioAf]

Используя методы селекции in vitro из огромных библиотек случайных последовательностей, исследователи выделили молекулу QT45. Она в четыре раза короче ранее известных аналогов, но при этом сохраняет способность катализировать синтез РНК. Более того, анализ показал, что критически важный для катализа центр занимает всего около 30 нуклеотидов, а остальные 15 выполняют структурную функцию.

Спасибо. Удивительно видеть рибозим всего в 45 нуклеотидов, необлепленный положительно заряженными аминокислотами.
Прикладываю картинку с QT45 из статьи и подпись под картинкой:

A small RNA motif with a functionally dense core encodes the triplet polymerase activity of the QT ribozyme.
(A) Synthesis of 42 nt CGU repeat sequence by QT51 and its truncation variants. Reaction conditions: 0.25 μM primer F10, 0.25 μM template tP10CGU14, 0.25 μM ribozyme, 5 μM pppCGU triplet, 0.05% Tween 20, 50 mM MgCl2, 50 mM CHES-KOH, pH 9, 5 days at -7 °C frozen. (B) Synthesis of a mixed sequence template by the same ribozymes as in (A). Reaction conditions: 0.25 μM primer F10, 0.25 μM template t6FP10mix, 1.25 μM ribozyme, 5 μM each triplet, 0.05% Tween 20, 50 mM MgCl2, 50 mM CHES-KOH, pH 9, 5 days at -7 °C frozen. In both (A) and (B), ribozymes are not hybridized to template. (C) Predicted secondary structure diagrams of the ribozymes used in (A) and (B) (D) Heatmap of the primer extension activity for all measured single and double mutants of the QT45 ribozyme, with the first constituent point mutation indicated on the x-axis and the second one on the y-axis. Missing datapoints are shown in gray. (E) Predicted secondary structure of QT45 ribozyme with nucleotide color corresponding to its measured average activity on three different templates for each of the three possible mutations, in the same order as the 3 representative mutations provided, indicated in the same color scheme as (D).

[Combinator]

Спасибо. Удивительно видеть рибозим всего в 45 нуклеотидов, необлепленный положительно заряженными аминокислотами.

На самом деле из 20 аминокислот лишь 3 заряжены положительно, и все они довольно сложные, абиогенно не синтезируются. Я бы скорее думал про ионы металлов. Например, Mg2+ активно используется для удержания вместе субъединиц рибосомы. Возможно, он и при репликации может быть полезен, позволив, например, дополнительно уменьшить число нуклеотидов в рибозиме и увеличить скорость полимеризации.     

[Combinator]

Насколько я понимаю, статья еще не прошла рецензирование, так что нас еще может ждать холодный душ.

Статья опубликована в Science: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2760?fbclid=IwY2xjawP9nO9leHRuA2FlbQIxMQBzcnRjBmFwcF9pZBAyMjIwMzkxNzg4MjAwODkyAAEef0jrj5_Dp32PJUY_dmcwr7VgAL8e0oHT0_1ltKUapL2PZqRts5sikm-x_gw_aem_40O-oIvG6BjsoQBOgrxE0Q

[Rattus]

Да - работа весьма и весьма интересная, но ранее представленные оценки на минимальные размеры рибозимов:

более-менее каталитически-специфичные рибозимы начинаются примерно с 25 нуклеотидов, а "репликазу" можно надеяться найти только с 40-60

она пока не очень рушит.

Запомнилось, что если эта длина больше 63-65 нуклеотидов, то жизнь в Метагалактике могла зародиться только раз. 45 заметно меньше 63. Значит, почти в каждой крупной галактике или группе галактик может быть свой центр зарождения жизни?

Не совсем:

Если считать её строго случайным - т.е. пуассоновым процессом, имеющим место на минеральных поверхностях в качестве модели, то картина оказывается куда пессимистичнее и осетр рубикон астрономической невероятности жизни урезается более чем вдвое - а именно до 21, 27 и 32 нуклеотидов для одной системы, галактики и наблюдаемой вселенной соответственно.

Так что ключевой вопрос пока остаётся в общем-то тем же: насколько (не)случайным, то есть с какого момента пуассонов процесс стал становиться дарвиновским хотя бы до этого примерно момента:

критически важный для катализа центр занимает всего около 30 нуклеотидов

[MikailllSuguri]

Всем добрый день. Заранее извиняюсь, что задаю вопросы уровня "новичок", но что-то я немного запутался из за противоречивой поступающей информации.

Как я понимаю, между химией и биологией существует некая "пропасть" и перепрыгнуть ее можно только самосборкой сложной молекулы (т.е. это вероятностный процесс). Последнее открытие сократило эту "пропасть" до 45/30 нуклеотидов т.е. резко увеличило шанс самосборки, запускающей уже закономерный процесс эволюции. Пока все понятно и логично.

Но заново открыв расчёты Кунина, я нахожу следующее:

Для появления примитивной системы сопряженной репликации-трансляции, что в данном контексте рассматриватся как революционная стадия, требования гораздо жестче. Как минимум, необходимо спонтанное появление следующего:

- Две рРНК, с общим размером не менее 1000 нуклеотидов.
- Примерно 10 примитивных адаптеров по 30 нуклеотидов каждый, в целом около 300 нуклеотидов.
- По менышей мере одна РНК, кодирующая репликазу, размером примерно 500 нуклеотидов (оценка снизу)

Поначалу, я подумал, что Кунин просто ошибся с "оценкой снизу" в 500 нуклеотидов и последнее открытие его опровергло. Но, как я заметил, оценка в "40-60" прозвучала на форуме уже в 2020 году:

более-менее каталитически-специфичные рибозимы начинаются примерно с 25 нуклеотидов, а "репликазу" можно надеяться найти только с 40-60

А в интервью Борису Штерну в 2023 он повторяет свою оценку. Собственно, это меня и запутало - если как миниум с 2020 года известно, что нижняя граница может быть 40-60 (что и подтвердилось), то почему он повторяет свою оценку, основанную на 500 минимально необходимых? Такое чувство, что я упускаю что-то существенное. Прошу пояснить как для дурака максимально простыми словами. Заранее благодарю.

[Rattus]

Последнее открытие сократило эту "пропасть" до 45/30 нуклеотидов т.е. резко увеличило шанс самосборки, запускающей уже закономерный процесс эволюции. Пока все понятно и логично.
Но заново открыв расчёты Кунина, я нахожу следующее: для появления примитивной системы сопряженной репликации-трансляции, что в данном контексте рассматриватся как революционная стадия, требования гораздо жестче...
Как я заметил, оценка в "40-60" прозвучала на форуме уже в 2020 году...

Совершенно верно. Та оценка - из работы токийского астрофизика Томонори Тотани (там по ссылке на исходное сообщение и выше есть более подробный разбор и ссылки на источник), которую он, разумеется, не придумал сам, а ссылается на соответствующие работы биохимиков-молбиологов и это открытие - в тех же в общем-то пределах - разве что у нижней её границы.
Оригинальная же идея Тотани тут только в том, что он обратил внимание на тот факт, что если возникновение "перворепликатора" действительно чисто случайно, то "перебор" до него представляет собой не что-то вроде последовательного компьютерного "брутфорса", а случайный же пуассонов процесс и тогда статистические оценки на возникновение нужной последовательности также устрожаются и тогда даже такая околоминимальная модель "чисто рибозмного" репликатора тоже оказывается не очень-то часто возникающей в астромасштабах.

Такое чувство, что я упускаю что-то существенное.

Касательно же тезиса Е.Кунина, существенное в нём в том, что даже если мы найдём модель короткой "чисто рибозимной" достаточно точной РНК-полимеразы, то это не особенно помогает нам в объяснении дальнейшего, не менее ключевого момента эволюции - как появился кодированный синтез белков:

происхождение собственно трансляции - это действительно один из ключевых вопросов палеомолбиологии. Собственно это - по сути один из конечных этапов абиогенеза, где химическая эволюция переходит в чисто биологическую и протоклетка входит в цикл Дарвина-Эйгена.

[MikailllSuguri]

[...] даже если мы найдём модель короткой "чисто рибозимной" достаточно точной РНК-полимеразы, то это не особенно помогает нам в объяснении дальнейшего, не менее ключевого момента эволюции - как появился кодированный синтез белков:

С одной стороны, вы (вроде как) подтверждаете, что образование коротенького РНК - это уже преодоление рубикона и переход в область биологии, когда каждое следующее усложнение - это закономерный эволюционный процесс. Соответственно, проблема синтеза белков - это эволюционная проблема, выходящая за пределы вопроса абиогенеза. Но с другой стороны, вы пишите о синтезе белков как о финальной части процесса абиогенеза и, если я вас правильно понял, старт эволюции получается только после появления белков:

происхождение собственно трансляции - это действительно один из ключевых вопросов палеомолбиологии. Собственно это - по сути один из конечных этапов абиогенеза, где химическая эволюция переходит в чисто биологическую и протоклетка входит в цикл Дарвина-Эйгена.

Так как правильно - эволюция стартует с образования той самой короткой РНК или это только один из, но не финальный, шаг абиогенеза, который не завершится без первых белков?

[Rattus]

Так как правильно - эволюция стартует с образования той самой короткой РНК или это только один из, но не финальный, шаг абиогенеза, который не завершится без первых белков?

Эволюция стартует с запуска спирали Дарвина-Эйгена. А вот когда этот момент наступает - тоже ещё вопрос на самом деле. Если на этапе рибозмов-полимераз получались хорошие, точные копии без участия специфичных пептидов, то дальнейший прыжок сложности становится маловероятным из-за попадания сразу в довольно глубокий локальный оптимум на ландшафте приспособленности - цикл Дарвина-Эйгена не размыкается в вечно убегающую спираль усложнения... Она получается при балансировании на границе приспособленности и вырождения, когда для большей надёжности воспроизведения нужно наращивать механизмы адаптации, но их кодирование в геноме повышает требования к надёжности и т.д... Так, во всяком случае, представляется Е.Куниным в "Логике Случая".

[Line 2]

Если даже на Венере вроде как обнаружили (согласно разным источникам) бегающих ящериц, а также фосфин и аммиак (продукты жизнедеятельности бактерий), то о какой редкости жизни во Вселенной может идти речь?

[Mercury127]

даже на Венере вроде как обнаружили (согласно разным источникам) бегающих ящериц

Комментарий модератора раздела

+80% за повторное распространение пурги.

[cryon]

- Две рРНК, с общим размером не менее 1000 нуклеотидов.
- Примерно 10 примитивных адаптеров по 30 нуклеотидов каждый, в целом около 300 нуклеотидов.
- По менышей мере одна РНК, кодирующая репликазу, размером примерно 500 нуклеотидов (оценка снизу)

На ранней земле на поверхности могли одновременно существовать 10^40 нуклеотидов и они могли 10^19 раз прореагировать за первый миллиард лет, так что чисто случайно на одной только земле могли возникнуть цепочки примерно на 100-120 нуклеотидов. как 4^110=10^40*10^19, если есть еще какой то менее случайный механизм сращивания на них однотипных кусков встречающихся несколько раз в одно организме и тд. - то только тогда жизнь может оказаться достаточно распространенной и встречающейся на достижимых нами 30 -50 световых годах(я убежден что дальше человечество за один полет не полетит очень долго, а вероятность что там мало того что жизнь да еще и разум передающей сигнал на известную им землю пренебрежительно мала) без панспермии распространяющей жизнь повсеместно в дальнем космосе.