Происхождение жизни оказалось под сомнением: генетический код развивался по иному пути, чем предполагалось ранее

С тех пор, как мы осознали, что всё живое на Земле связано невидимой нитью генетического кода, вопрос о его происхождении не даёт покоя учёным. Каким образом возник этот универсальный язык, общий для бактерий и китов? Новое исследование, проведенное в Университете Аризоны, бросает вызов общепринятой теории эволюции генетического кода и предлагает взглянуть на эту тайну под совершенно иным углом.

Итак, представьте себе: вся жизнь на нашей планете разговаривает на одном и том же «генетическом языке». Этот язык, основанный на комбинациях всего лишь 20 аминокислот, формирует белки — строительные блоки всего живого. Как же возникла эта сложнейшая система? Долгое время считалось, что процесс шёл постепенно, от простого к сложному: сначала более простые, более мелкие аминокислоты, затем — более крупные, с добавлением аминокислот, связывающихся с металлами, и только в самом конце — серосодержащих. Однако новые данные заставляют нас переосмыслить эту картину.

«Колеса» вместо «автомобилей»: как меняется взгляд на эволюцию кода

Савсан Вехби, автор нового исследования, с коллегами пошли другим путём, обратив внимание не на целые белки, а на их отдельные «детали» — белковые домены. Представьте, говорит она, что белок — это автомобиль, а домен — это его колесо. Колёса, как известно, появились намного раньше автомобилей и используются в самых разных конструкциях. Используя этот подход, учёные выяснили, что аминокислоты с ароматическими кольцами (например, триптофан и тирозин), которые ранее считались поздними приобретениями, на самом деле, были важными компонентами даже в древнейших формах жизни, существовавших задолго до общего предка всего живого (LUCA).

Эволюционная история белкового домена может уходить корнями в более далекое прошлое, чем история ортологии целого гена, частью которого он является. Мультидоменные гены 3 и 4 возникли примерно в одно и то же время. Однако они состоят из двух белковых доменов (синий и оранжевый квадраты), которые возникли и разошлись в разные моменты времени — домен 1 старше домена 2. Цитирование: S. Wehbi, A. Wheeler, B. Morel, N. Manepalli, B.Q. Minh, D.S. Lauretta, J. Masel, Order of amino acid recruitment into the genetic code resolved by last universal common ancestor's protein domains, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121 (52) e2410311121, https://doi.org/10.1073/pnas.2410311121 (2024).

Что на самом деле рассказали нам древние последовательности?

Анализируя обогащение аминокислотами белковых последовательностей, которые восходят к LUCA, а также к более ранним периодам, исследователи обнаружили нечто удивительное. Оказалось, что в самых древних последовательностях аминокислот (особенно в тех, что возникли ещё до появления LUCA) преобладают «кольца» — аминокислоты с ароматическими структурами. Этот факт противоречит общепринятой точке зрения, согласно которой такие аминокислоты возникли позже. Это наталкивает на мысль, что генетический код, который мы наблюдаем сегодня, не был единственным возможным вариантом. Возможно, ему предшествовали другие, ныне исчезнувшие коды, которые использовали именно такие «кольцевые» аминокислоты.

Эксперимент, который не рассказал всей истории

Традиционные представления о формировании генетического кода в значительной степени опирались на знаменитый эксперимент Юри-Миллера 1952 года. Этот эксперимент, имитируя условия ранней Земли, показал возможность возникновения аминокислот в результате простых химических реакций. Однако у него есть существенный изъян: он не воспроизвёл аминокислоты, содержащие серу, несмотря на её распространённость на ранней Земле. Исследователи долгое время считали, что именно поэтому серосодержащие аминокислоты присоединились к генетическому коду позже. Но новое исследование ставит под сомнение и эту идею, указывая на то, что на самом деле, сера играла гораздо более важную роль в ранних этапах эволюции генетического кода.

Влияние на поиски жизни за пределами Земли

Астробиологи обратили внимание на эту работу, и не зря. Знание того, что жизнь на ранней Земле, по-видимому, предпочитала аминокислоты, связывающиеся с металлами, и была богата соединениями серы, даёт нам важные ориентиры для поиска жизни на других планетах. На мирах, где распространены соединения серы, например, на Марсе или спутниках Юпитера и Сатурна, могут существовать формы жизни с аналогичными биохимическими особенностями. Таким образом, понимание эволюции генетического кода не просто помогает нам заглянуть в прошлое, но и даёт ключ к поиску жизни в космосе.

Так что же дальше?

Исследование группы Савсан Вехби переворачивает наши представления о происхождении генетического кода. Оно показывает, что эволюция этого кода — не линейный процесс, а скорее сложная история с множеством неизвестных нам деталей. Похоже, что учебники по генетике пора переписывать. Но самое главное, что это исследование открывает новые горизонты для понимания жизни как явления и её потенциального распространения во Вселенной.



via