Миллиарды лет назад на Земле возникали простые органические молекулы, из которых постепенно складывались более сложные структуры. По одной из научных теорий молекулы «научились» создавать свои копии, с чего и начался процесс зарождения жизни. Сегодня исследователи пытаются понять, действительно ли могла работать такая система.
Недавно команда из Кембриджа описала короткую молекулу РНК длиной всего 45 нуклеотидов, которая смогла создать свою копию в лабораторных условиях. Исследование является шагом к пониманию того, как возникла передача информации на молекулярном уровне. Рассмотрим, откуда появилась идея «мира РНК», в чем заключалась сложность эксперимента и какие важные выводы сделали ученые.
Мир РНК: основы идеи о ранней жизни
Концепция «мира РНК» возникла в середине прошлого века, когда специалисты Карл Вез и Фрэнсис Крик задумались о том, как жизнь могла появиться без готовых белковых механизмов и ДНК. В современных организмах ДНК хранит код, РНК его транслирует, а белки выполняют функции. Раньше же РНК могла совмещать все эти роли: сохранять последовательности и ускорять химические превращения. Такой подход разрешил бы дилемму о том, что появилось раньше — инструкции или инструменты для их реализации. Иначе запуск системы объяснить сложно.
Со временем накопились факты в пользу этой модели. В 1980-х Томас Чех и Сидни Альтман доказали, что РНК работает как катализатор — рибозим, способный разрывать или соединять цепи. Причем до этого открытия считалось, что на такое способны только белки. Позже выяснилось, что в рибосомах, где собираются белки, основные реакции ведет РНК, а окружающие компоненты играют вспомогательную роль. Значит, в древние эпохи РНК могла эволюционировать самостоятельно, переходя к более организованным формам. Но оставался вопрос: как такие цепи образовывались спонтанно? Современные рибозимы часто бывают длинными и сложными, а условия на молодой планете включали вулканическую активность, электрические разряды и отсутствие контролируемой среды.
Другой аспект касается пребиотической химии. На ранней Земле из базовых веществ вроде цианида и ацетилена могли формироваться нуклеобазы и нуклеотиды. Эксперименты Миллера — Юри в 1950-х продемонстрировали синтез аминокислот и некоторых нуклеобаз под влиянием электричества и тепла в атмосфере, имитирующей древнюю. Более поздние работы, включая исследования Джона Сазерленда, показали пути образования полноценных рибонуклеотидов из простых прекурсоров без энзимов. Фрагменты могли объединяться в короткие олигонуклеотиды. В сценарии «мира РНК» такие элементы становились основой для самокопирующихся систем. Однако до последнего времени гипотеза нуждалась в примерах, где компактные РНК действительно дублируют себя без дополнительной поддержки. Эксперимент частично подтвердил модель.
Новое открытие: QT-45 и ее возможности
В феврале 2026 года коллектив из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, возглавляемый Филиппом Холлигером и Эдоардо Джанни, опубликовал результаты масштабного исследования в журнале Science. Они выделили рибозим QT-45 — из 45 нуклеотидов, что значительно короче предшествующих полимераз. QT-45 создает комплементарную цепь из смеси тринуклеотидов со средней точностью 94,1% на звено, а затем и свою копию из подготовленных субстратов. Эффективность — около 0,2% за 72 дня.
Процесс начался с библиотеки из 10¹³ случайных последовательностей длиной 40–80 нуклеотидов. Искали те, что присоединяют тринуклеотиды с химическими маркерами в соленой воде со льдом при щелочной реакции. После 11 этапов отбора и мутаций получили QT-51, укоротив его до 45 без ущерба для системы. Структура плотная: почти все основания важны, изменения в центре нарушают функцию, но вот модификации по краям возможны.
QT-45 сочетает свойства лигазы и полимеразы: добавляет группы по три нуклеотида, что облегчает разматывание пар оснований. В эксперименте нашли три аналогичных из одной библиотеки. Рибозим работает с разными шаблонами, включая те, что формируют петли или пары с собой. Такие детали показывают, насколько хитро природа могла бы обойти ограничения, если бы условия позволили.
В экспериментах QT-45 помещали в замерзшую соленую воду. При замерзании она выталкивала химические соединения в небольшие жидкие участки, где их концентрация повышалась. Ученые считают, что похожие условия могли существовать и на ранней Земле — например, в замерзших водоемах. Молекула использует короткие фрагменты РНК и постепенно достраивает цепь по принципу совпадения оснований. Процесс идет медленно (на это уходят месяцы), но молекула остается стабильной более ста дней.
Точность копирования составляет около 94–95% — соответственно, в каждой новой цепи появляется несколько ошибок. Они создают разнообразие, из которого может идти отбор. QT-45 работает с разными последовательностями, а не только с одной конкретной. Он способен достраивать цепь даже тогда, когда участки РНК соединены между собой, и делает все без дополнительных белков. Это важно, потому что на ранней Земле вряд ли существовали сложные вспомогательные механизмы — только смесь коротких молекул.
Ученые считают, что рибозим можно улучшить — так уже поступали с другими молекулами РНК. Пока это не полноценная самовоспроизводящаяся система, а лишь доказательство того, что даже такие простые соединения могут выполнять нужную работу. Процесс пока идет медленно, но сам принцип уже найден.
Шаг к пониманию происхождения жизни
Такой рибозим поддерживает модель «мира РНК», иллюстрируя, как молекула могла обеспечивать передачу информации и катализ без белков. Короткая длина повышает вероятность случайного образования. На ранней планете пребиотические реакции производили нуклеотиды, и это могло произойти. Ошибки в дублировании дают основу для изменений, ведущих к сложным структурам.
Использование тринуклеотидов важно потому, что такие короткие фрагменты, вероятно, проще образовывались в условиях ранней Земли. Теоретически жизнь могла начаться с похожих простых молекул, а позже перейти к более сложной системе с ДНК и белками. При этом есть и другие мнения: например, Джеймс Тур считает, что в природных условиях такие молекулы быстро разрушались бы. Тем не менее исследование показывает, что сам механизм возможен, и подталкивает к дальнейшим поискам — в том числе за пределами Земли.
Ученые планируют продолжить работу с QT-45: проводить новые раунды отбора, чтобы повысить скорость и точность копирования. В идеале исследователи хотят добиться системы, где вся репликация проходит в одном цикле, без разделения этапов. Это поможет понять, как простые РНК-молекулы могли постепенно усложняться и в итоге уступить место системе с ДНК и белками. Параллельно другие группы изучают рибозимы, которые взаимодействуют с аминокислотами, — это может прояснить, как возникла связь между РНК и белками на ранних этапах эволюции.
В синтетической биологии такие молекулы могут быть полезны как простые самоорганизующиеся системы — например, для создания РНК-конструкций с заданными свойствами или медицинских исследований. Короткие цепочки проще модифицировать и изучать. А если подобные механизмы самокопирования действительно возможны в разных условиях, это важно и для более широкого вопроса — где еще во Вселенной могла возникнуть жизнь. Тогда при поиске ее за пределами Земли стоит обращать внимание на среды, где могли бы запускаться похожие химические процессы.
Впереди еще много работы. Нужно понять, как объединить копирование РНК с простыми реакциями, которые обеспечивали бы систему энергией и «питанием». Уже существуют модели с короткими цепочками длиной около 20 нуклеотидов. Они показывают, что такие процессы могут идти разными путями. Пока это лишь один шаг, но он делает картину происхождения жизни чуть яснее и задает направление для следующих экспериментов.