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".

[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.

[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.

Кстати это еще одно основание скорее проводить миссию в грав фокус на фотореакторе- жизнь может быть как на одной земле на всю галактику если все так как в моем расчете выше так и может быть мы чего то не понимаем в вопросе сращивания цепочек нуклеотидов в один организм или не понимаем в панспермии, и тогда мы увидим следы жизни на соседних звездах.

[Rattus]

так что чисто случайно на одной только земле могли возникнуть цепочки примерно на 100-120 нуклеотидов

Могли и гораздо длиннее - случайной полимеризации при наличии катализатора на таком масштабе ничего не мешает. Но при этом далеко не все они - уникальные по всей последовательности. Ибо случайность != перебор, о чём подробно написано выше к статье Т.Тотани.

[Бобр-99]

То-то и оно, что полный перебор не нужен. Нужно найти первый работающий вариант.
Оценки по перебору могут давать на много порядков меньшую вероятность чем необходимо.
Только одна из множества ошибок "собирателей боинга".

Если это так, то невероятно ожидать похожие гены у инопланетян. И т.п.

[cryon]

так что чисто случайно на одной только земле могли возникнуть цепочки примерно на 100-120 нуклеотидов

Могли и гораздо длиннее - случайной полимеризации при наличии катализатора на таком масштабе ничего не мешает. Но при этом далеко не все они - уникальные по всей последовательности. Ибо случайность != перебор, о чём подробно написано выше к статье Т.Тотани.

Т.Тотани исходит из того что у нас во вселенной 10^100 звезд и таким образом из такого большого количества на земле жизнь. Я же не уверен в том что посмотрев в грав фокус солнца ближайших звезд мы не увидим там жизнь. Есть как вероятность того что жизнь только на земле во всей галактике так и возможность панспермии или другого пока не известного нам механизма что жизнь явления почти повсеместное.

[Rattus]

То-то и оно, что полный перебор не нужен. Нужно найти первый работающий вариант.

Ага - как и в криптоанализе - не нужно перебирать все возможные варианты ключей длиной всего в две-три сотни знаков - достаточно  найти один, превращающий шифротекст в читаемое сообщение. Ну и как успехи со взломом современных систем шифрования?
"Первый работающий" вариант - это рибозим / набор рибозимов с такой суммарной последовательностью, которая сразу позволяет реплицировать последовательность этой минимальной длины с точностью, позволяющей избежать  вырождения в этом стартовом объёме.

Если это так, то невероятно ожидать похожие гены у инопланетян.

Про высококонсервативные участки наиболее универсально важных генов, начиная с некодирующих РНК (особенно пептидилтрансферазный центр большой рибосомной РНК, общие последовательности тРНК и т.д.) я бы не был столь в этом уверен.

Т.Тотани исходит из того что у нас во вселенной 10^100 звезд

В каком месте профессор астрофизики может исходить из положения, где звёзд в наблюдаемой вселенной на двадцать порядков больше чем элементарных частиц?

[cryon]

Т.Тотани исходит из того что у нас во вселенной 10^100 звезд

В каком месте профессор астрофизики может исходить из положения, где звёзд в наблюдаемой вселенной на двадцать порядков больше чем элементарных частиц?

Не в наблюдаемой а во всей вселенной.
Т.е. если у нас 10^100 планет а на одной планете 10^60 комбинаций сращивания нуклеотидов за миллиарды лет то мы можем получить цепочку из 4^265=10^160 из 265 нуклеотидов что уже ближе требованиям более 1500 нуклеотидов озвученным выше. Но вот если кроткие цепочки порядка 100 нуклеотидов могут размножаться тогда можно предположить что жизнь более распространена чем одна земля на всю вселенную.
Точнее увидим в миссии в грав фокус соседних звезд - есть ли на них следы жизни.

[vika vorobyeva]

Может ли предок всего живого быть размером в 45 нуклеотидов? Найден механизм спонтанного возникновения жизни

Подробная статья на Элементах, посвященная QT45: https://elementy.ru/novosti_nauki/434415/Nayden_malenkiy_ribozim_polimeraza_sposobnyy_replitsirovat_sam_sebya
Как его изготовили, как исследовали, как факт его наличия меняет вероятность самозарождения жизни

[Rattus]

Не в наблюдаемой а во всей вселенной.

Это называется "инфляционно-большая вселенная". Насколько именно она большая - никто не знает. Да и отношения к наблюдаемым явлениям имеет весьма опосредованное (разве что только вот такое - мировоззренческое).

Но вот если кроткие цепочки порядка 100 нуклеотидов могут размножаться тогда можно предположить что жизнь более распространена чем одна земля на всю вселенную.

Одна жизнь на галактику и на инфляционную метагалактику - имеет совершенно один итог для естественных наук.

[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)
Из этой инфы получим:
Из числа звезд в галактике в 10^10 и числа рекомбинаций рнк на ранней земле в 10^60 можно предположить что жизнь очень даже распространена в галактике, т.е. второе число намного больше. Но тогда должен существовать скрытый механизм образования той самой рРнк на 500 нуклеотидов и кодер репликазы на 500 нуклеотидов образованных из сформированных чисто случайно последовательностей в 100 нуклеотидов длинной, а вот 10 адаптеров по 30 нуклеотидов могли формироваться случайно и по очереди захватываться протоорганизмом нашем  - они все же короткие.
Так вот что же это за механизм который делает из 100 нуклеотидов -500 нуклеотидов? Я не силен в генетике(

Могли и гораздо длиннее - случайной полимеризации при наличии катализатора на таком масштабе ничего не мешает. Но при этом далеко не все они - уникальные по всей последовательности. Ибо случайность != перебор, о чём подробно написано выше к статье Т.Тотани.

Может у кого есть предположения о данном механизме? Я так и не понял что дает "полимеризация при наличии катализатора"(полимеризация не равно транскипция с днк а присоединение полимеров нуклеодиодов к молекуле же рнк вы имели в виду да? )  само по себе наличие катализатора дает больше порядков добавления новых вариантов удлинения цепи рнк но не на столько чтобы из сотни получилось пятьсот.
Альтернативный же вариант в том что жизнь на земле единственная в наблюдаемой вселенной, только это может дать чисто случайное формирование цепочек в 155 нуклеотидов что уже ближе к цели из 3 молекул по 500 нуклеотидов.

[Бобр-99]

Сколь РНК неустойчиво? Долго ли живёт в луже?

[cryon]

Сколь РНК неустойчиво? Долго ли живёт в луже?

Вроде менее стабильна чем очень стабильная днк. Как в луже не знаю но Алиса говорит:
Обычно рнк живет 30 минут в клетках млекопитающих, рнк гемоглобина -17 часов.
Но все же достаточно чтобы провести много порядков случайных комбинаций каких то кусков в десятки нуклеотидов нашей протожизненной рнк.