Необходимые условия для возникновения жизни (абиогенеза)

[Rattus]

В качестве исходного материала был выбран глицин — простейшая и наиболее распространенная во Вселенной аминокислота.
...
Результатом становится образование глицилглицина — простейшего дипептида. Исследование показало, что этот процесс эффективно идет и при низких энергиях (солнечный ветер), и при высоких (космические лучи), что делает его универсальным для различных областей космоса.

Ох уж этот глицин... Это даже не хиральная молекула! Его присутствие в наборе биогенных аминокислот показывает только структурную минималистичность, оптимизированность молекулярной основы жизни. Чего бы им было не взять зеркальные варианты аланина, валина или (изо)лейцина, также вроде как находимых в астеродах и которые в моделях несложно образуются - хотя бы в смеси?

эксперимент показал, что космическая радиация способна запускать параллельный синтез компонентов сразу для двух главных подсистем жизни: структурной (белки) и информационной (генетический материал). Ранее считалось, что столь разные классы соединений требуют различных условий для формирования.

Ну, вот это уже что-то...

[ivanij]

 На днях был в Дарвиновском музее. Попался на глаза, весьма интересный материал, отражающий историю развития и совершенствования представлений человека об эволюции живой природы. Конечно, полностью публиковать здесь эти картинки не совсем соответствует теме (off-top), но ссылку, думаю, можно Художественные выставки, музеи и прочее...

[Серый Страж]

Возможно, мы ошибались насчёт происхождения жизни: как формировался генетический код 4 миллиарда лет назад
https://www.ixbt.com/live/science/vozmozhno-my-oshibalis-naschet-proishozhdeniya-zhizni-kak-formirovalsya-geneticheskiy-kod-4-milliarda-let-nazad.html

Генетический код, определяющий правила перевода нуклеотидных последовательностей ДНК в аминокислотные последовательности белков, является основой функционирования всех известных живых систем. На протяжении десятилетий в биологии преобладала гипотеза ступенчатого формирования этого кода. Предполагалось, что сначала жизнь начала использовать простые аминокислоты, которые могли возникать в неживой природе без участия сложных биологических процессов, а затем постепенно освоила более сложные молекулы.

Однако исследование, опубликованное в журнале PNAS группой ученых из Аризонского университета, ставит под сомнение устоявшуюся хронологию и предлагает новый метод определения возраста аминокислот через анализ структуры древнейших белков.

Аномалии периода до LUCA и альтернативные коды

Наиболее неожиданные результаты были получены при анализе так называемых «пре-LUCA» доменов. Это последовательности, которые успели удвоиться и разойтись по разным функциям еще до того, как единая линия жизни разделилась на бактерий и архей.

В этих сверхдревних белках обнаружилась высокая концентрация ароматических аминокислот (триптофана, тирозина и фенилаланина), которые имеют в своей структуре углеродные кольца.

В стандартной модели триптофан считается самой последней аминокислотой, добавленной в код из-за сложности её синтеза. Однако его присутствие в пре-LUCA структурах указывает на то, что на начальных этапах эволюции могли существовать иные механизмы кодирования.

Авторы выдвигают гипотезу, что до формирования современного универсального генетического кода существовали альтернативные системы. Возможно, в специфических условиях, таких как щелочные гидротермальные источники, производство ароматических соединений шло более активно. По мере эволюции и перехода к единому стандарту состав аминокислот оптимизировался, и некоторые из них временно стали менее востребованными, пока жизнь не выработала новые способы их синтеза.

Глобальный контекст и выводы

Работа исследователей из Аризоны меняет вектор развития эволюционной биологии. Она доказывает, что генетический код не был случайным набором веществ, доступных в первичной среде. Его формирование было жестко обусловлено физико-химическими свойствами молекул и необходимостью создания эффективных каталитических центров.

Главные выводы исследования:

• Молекулярная масса является определяющим фактором ранней интеграции аминокислот.
• Сера и металлы стали основой биологического катализа намного раньше, чем предполагали классические модели.
• Глутамин, напротив, был добавлен в код на последних этапах, что подтверждается сложностью механизмов его встраивания в транспортные РНК.

Если порядок формирования генетического кода определяется фундаментальными свойствами материи (массой и способностью к катализу), то можно ожидать, что на других планетах жизнь будет использовать схожий набор строительных блоков. Поиск внеземных организмов теперь может быть сфокусирован на обнаружении конкретных серосодержащих и металлозависимых биохимических сигнатур, которые, как выяснилось, являются наиболее древними признаками жизни.

Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

[Бобр-99]

Если порядок формирования генетического кода определяется фундаментальными свойствами материи

Тогда это боги. Иначе способов будет много.

[Rattus]

Работа исследователей из Аризоны меняет вектор развития эволюционной биологии. Она доказывает, что генетический код не был случайным набором веществ, доступных в первичной среде. Его формирование было жестко обусловлено физико-химическими свойствами молекул и необходимостью создания эффективных каталитических центров... Молекулярная масса является определяющим фактором ранней интеграции аминокислот...
Если порядок формирования генетического кода определяется фундаментальными свойствами материи (массой и способностью к катализу), то можно ожидать, что на других планетах жизнь будет использовать схожий набор строительных блоков.

Если эти выводы подтверждаются - это очень фундаментальное открытие. Сильно подозревал, что дело обстоит таким образом, но серьёзных доказательств допрежь не было.
Кто-то может указать, что такое положение не соответствует определению жизни, принятому в Разделе. Но схожесть - не идентичность. Уже сам факт существования диалектов генетического кода и возможность его биоинженерного изменения показывает, что код интерпретации последовательностей не абсолютно детерминирован физикой. Собственно, наверное с генетического кода как раз и начинается эта неединственность и повышение роли условий в конкретном месте и времени в историческом закреплении наблюдаемых форм.

[Combinator]

"Главные выводы исследования:
Молекулярная масса является определяющим фактором ранней интеграции аминокислот."
=================
"В этих сверхдревних белках обнаружилась высокая концентрация ароматических аминокислот (триптофана, тирозина и фенилаланина), которые имеют в своей структуре углеродные кольца."
================

Как то эти два вывода не очень совместимы, как мне кажется. Триптофан, тирозин и фенилаланин располагаются в самом конце списка по возрастанию молекулярной массы.

 

[Mercury127]

Тогда это боги. Иначе способов будет много.

систем счисления тоже много (было). но в ЭВМ почему-то выжила лишь одна.

[Rattus]

Как то эти два вывода не очень совместимы, как мне кажется. Триптофан, тирозин и фенилаланин располагаются в самом конце списка по возрастанию молекулярной массы.

Может имелся ввиду несколько более широкий диапазон масс вообще, где оные просто находятся близ верхней границы пригодных мол.масс?

[Combinator]

Может имелся ввиду несколько более широкий диапазон масс вообще, где оные просто находятся близ верхней границы пригодных мол.масс?

В любом случае, вывод интересный, так как ощутимая концентрация ПАХ наблюдается в облаках молекулярного газа в космосе.

[Бобр-99]

В начале была невозможность возникновения. Это как трясти делали для сборки Боинга.

Теперь есть единственная возможность в силу фундаментальных физических причин.

Предлагаю следующий подход:
- Есть 13 способов возникновения жизни.

[Rattus]

В начале была невозможность возникновения. Это как трясти детали для сборки Боинга. Теперь есть единственная возможность в силу фундаментальных физических причин.

Одно другому не противоречит - даже наоборот.

Предлагаю следующий подход:
- Есть 13 способов возникновения жизни.

Таким идеям цена - пятачок за пучок в базарный день давно. Тут только доказательства интересны.

[Серый Страж]

Может ли предок всего живого быть размером в 45 нуклеотидов? Найден механизм спонтанного возникновения жизни
https://www.ixbt.com/live/science/mozhet-li-predok-vsego-zhivogo-byt-razmerom-v-45-nukleotidov-nayden-mehanizm-spontannogo-vozniknoveniya-zhizni.html

Группа исследователей из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже под руководством Эдоардо Джанни и Филиппа Холлигера опубликовала результаты работы, которая может помочь разобраться в противоречии. Они обнаружили и описали рибозим QT45, который обладает активностью РНК-полимеразы при длине всего в 45 нуклеотидов. Это открытие полностью меняет представления о минимально необходимой сложности для запуска жизни.
...
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. Вероятность случайного возникновения такого мотива в триллионы раз выше, чем для длинных рибозимов.

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. Вероятность случайного возникновения такого мотива в триллионы раз выше, чем для длинных рибозимов.

Главным критерием живой молекулы является способность создать собственную копию. Этот процесс состоит из двух стадий. Сначала рибозим (плюс-цепь) должен использовать себя или своего соседа в качестве матрицы для создания комплементарной копии (минус-цепи). Затем эта минус-цепь должна послужить матрицей для восстановления исходной плюс-цепи.

В эксперименте QT45 успешно справился с обеими задачами.

• Синтез минус-цепи: рибозим с высокой точностью (около 94%) синтезировал комплементарную копию полной длины, используя пул из всех возможных 64 триплетов.
• Синтез плюс-цепи: используя полученную минус-цепь как матрицу, рибозим смог воссоздать исходную последовательность QT45.

Здесь исследователи столкнулись с проблемой любой саморепликации — ингибированием продуктом. В термодинамическом равновесии плюс-цепь и минус-цепь стремятся соединиться друг с другом, образуя неактивный двойной спиральный дуплекс. Эта связь настолько прочна, что рибозим не может получить доступ к матрице для работы. Дуплекс становится химическим тупиком.

QT45 обходит это благодаря динамике взаимодействия триплетов. Поскольку реакция идет не сплошной длинной цепью, а короткими блоками, система находится в состоянии динамического равновесия. Рибозим успевает встроиться и провести реакцию лигирования (сшивания) триплетов до того, как матрица будет полностью заблокирована комплементарной цепью. Для завершения синтеза плюс-цепи потребовалось лишь одно дополнительное условие — добавление в смесь одного гексамера (блока из 6 нуклеотидов) для прохождения сложного участка.

Для дарвиновской эволюции критически важна точность передачи информации. Если количество ошибок при копировании превышает определенный предел (порог ошибок), информация вырождается в шум, и вид исчезает. Этот предел напрямую зависит от длины генома: чем короче геном, тем больше ошибок он может простить при репликации.

Точность копирования QT45 составляет в среднем 93-94% на нуклеотид. Для длинного генома такая точность была бы фатальной. Однако для сверхкороткого генома в 45 нуклеотидов этого достаточно, чтобы удерживаться в пределах порога ошибок Эйгена. Это означает, что популяция таких рибозимов способна не просто существовать, но и поддерживать свою идентичность на протяжении поколений, допуская при этом вариативность, необходимую для естественного отбора.

В ходе экспериментов было обнаружено еще одно важное свойство QT45. Помимо матричного синтеза, рибозим способен катализировать реакции рекомбинации — сшивание фрагментов РНК без строгого следования матрице. В классической молекулярной биологии это часто рассматривается как побочный эффект, однако в контексте происхождения жизни это мощнейший инструмент.

Рекомбинация позволяет объединять удачные мутации из разных молекул в одну и избавляться от накопленных вредных мутаций. Это механизм, позволяющий преодолеть эффект, известный как «храповик Мёллера» (необратимое накопление вредных мутаций в бесполых популяциях). Способность QT45 к рекомбинации ускоряет перебор вариантов в пространстве последовательностей, приближая момент появления более сложных и эффективных рибозимов.

Работа Джанни и Холлигера не создает искусственную жизнь в пробирке, но устраняет одно из теоретических препятствий на пути к ее пониманию. Открытие QT45 доказывает, что функциональная сложность не является линейной функцией длины молекулы.

Мы получили экспериментальное подтверждение того, что:

• Очень короткие последовательности РНК (около 45 нуклеотидов) могут обладать сложной ферментативной активностью.
• Использование олигонуклеотидных блоков (триплетов) вместо мономеров снижает требования к сложности фермента.
• Точность копирования таких примитивных систем достаточна для запуска первичной эволюции.

Так что, пропасть между химической эволюцией (образованием случайных олигомеров) и биологической эволюцией (появлением самореплицирующихся геномов) оказалась не такой широкой, как предполагалось. Молекулярный механизм, способный запустить процесс жизни, достаточно прост, чтобы возникнуть в результате естественных геохимических процессов.

Источник: bioRxiv

[Маковец]

систем счисления тоже много (было). но в ЭВМ почему-то выжила лишь одна.

Сложность создания схемы-ячейки с десятью устойчивыми положениями. (или тремя и более).
 два положения устойчивых неудобно. все плюются но деваться некуда.

[Бобр-99]

Может ли предок всего живого быть размером в 45 нуклеотидов?

Так всегда и бывает. Еще подсократится в пару, тройку раз и найдется предок или предки.

В отличии от "сборщиков боинга" у меня обратное удивление. Не невероятно редкое событие, но почему такие события редки. Химия даёт огромное разнообразие возможностей.

Мое ощущение что было много возможностей, а когда появились нуклеиновые кислоты с белками, они остальных вытеснили. Единичнось всегда подозрительна.

[vika vorobyeva]

Очень интересный результат! Если подтвердится, это будет БОМБА
В теме уже приводили соотношения между минимальной длиной саморепликатора и распространенностью жизни. 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?
Хотелось бы, чтобы исходную статью прокомментировали форумные биологи
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.11.617851v1.full
Насколько я понимаю, статья еще не прошла рецензирование, так что нас еще может ждать холодный душ.

[Olweg]

Если порядок формирования генетического кода определяется фундаментальными свойствами материи (массой и способностью к катализу), то можно ожидать, что на других планетах жизнь будет использовать схожий набор строительных блоков.

Интересно, до какой степени? Не могут ли в таком случае археи и бактерии иметь вообще разное происхождение? Уж очень удивительны отличия в строения мембран этих двух доменов.

[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