РНК и ДНК са химически сродни молекули. Но една съвсем малка разлика помежду им – наличието на допълнителен кислороден атом, повтарящ се по протежение на гръбнака на РНК – може радикално да промени начина, по който тези молекули се държат.

Изследователи установиха, че именно тази особеност помага на РНК да се събира в плътни, подобни на течност капчици много по-лесно, отколкото сходни вериги ДНК. Тези капчици дори могат да прераснат във взаимосвързани, гелообразни мрежи. Макар и все още на ниво хипотеза, това откритие би могло да помогне за решаването на един отдавнашен пъзел: как крехките РНК молекули са могли да се концентрират и организират, преди да са съществували клетките.

Всяка съвременна клетка е обвита в мембрана. Може да приемате това за даденост, но тази граница е от огромно значение. Тя задържа полезните молекули близо една до друга, отделя вътрешните химични процеси на клетката от външната среда и позволява на реакциите да протичат ефективно. Без мембрана няма клетка.

Затова изследователите, изучаващи произхода на живота, се сблъскват със сложен проблем, когато се опитват да си представят биологичния свят преди появата на клетките.

Една от водещите теории – хипотезата за „света на РНК“ – предполага, че РНК е играла ключова роля, преди ДНК и протеините да поемат много от функциите, характерни за съвременния живот. РНК е подходящ кандидат, тъй като може да изпълнява две задачи, които при съвременните организми обикновено са разпределени между различни молекули: тя може да пренася генетична информация (подобно на ДНК), а някои РНК молекули са способни и да катализират химични реакции, като например синтеза на протеини.

Това обаче поражда друг проблем.

Една полезна РНК-молекула, носеща се сама в огромен воден басейн, би имала малък шанс многократно да среща молекулите, от които се нуждае. Освен това РНК е химически по-нестабилна от ДНК. Следователно по някакъв начин полезните молекули е трябвало да се концентрират.

Един възможен отговор е фазовото разделяне.

Терминът „фазово разделяне“ звучи технически, но става въпрос за същия процес, при който маслото се отделя от водата под формата на капки. Биомолекулите могат да извършват нещо подобно, като образуват плътни капки в по-разреден разтвор.

Тези структури се наричат ​​биомолекулни кондензати. За разлика от клетките, те не се нуждаят от обгръщаща ги мембрана. Съвременните клетки използват кондензатите широко. Изследователи също така предполагат, че по-прости техни варианти може да са спомогнали за организирането на химичните процеси на ранната Земя.

През 2023 г. изследователи, ръководени от физика от Университета в Бъфало Прия Банерджи, показаха, че няколко вида РНК могат самостоятелно да образуват капчици, когато бъдат нагряти в разтвори, съдържащи магнезиеви йони. Това само по себе си беше доста изненадващо. Обикновено нагряването подпомага разтварянето на веществата в смес, но тези РНК молекули се държаха по точно обратния начин. Над определена температура те се отделяха от околния разтвор и се струпваха, образувайки плътна фаза.

Новото изследване си постави един на пръв поглед прост въпрос: защо РНК притежава тази способност в толкова висока степен?

Изследователите сравниха РНК с едноверижна ДНК, носеща по същество същата последователност. Молекулите изглеждат поразително сходни. И двете се състоят от генетични „букви“, свързани с повтарящ се захарно-фосфатен скелет. Захарните им компоненти обаче се различават в една позиция.

РНК съдържа рибоза. Върху втория въглероден атом на тази захар е разположена хидроксилна група – съчетание от кислород и водород, обозначавано химически като 2′-OH. ДНК съдържа дезоксирибоза. На същата позиция тя има водороден атом. Тази съвсем малка промяна оказа значително въздействие. При експерименталните условия, създадени от учените, съпоставими вериги РНК започваха да образуват кондензати при температури с около 10 градуса по Целзий по-ниски от тези за ДНК. Следователно РНК проявяваше много по-силно изразена склонност към отделяне под формата на капчици.

„Тези резултати разкриват за първи път как изключително малки промени в молекулярната химия могат да управляват появата на много по-големи, самоорганизиращи се биомолекулярни структури, каквито са РНК-кондензатите“, заяви Банерджи в съобщение на Университета в Бъфало.

Защо тази малка химическа разлика може да е от значение за произхода на живота

Чрез микроскопия, рентгенови измервания и молекулярни симулации изследователите установиха, че въпросната 2′-OH група променя начина, по който РНК взаимодейства с водата и магнезия. С повишаването на температурата РНК се освобождаваше от част от заобикалящата я вода по-лесно, отколкото ДНК. Впоследствие магнезиевите йони можеха да спомогнат за сближаването на РНК веригите, позволявайки им да образуват плътни капчици.

Тези капчици можеха също така да прераснат във взаимосвързани, гелообразни мрежи. ДНК проявява много по-слаба склонност и към двете поведения.

„Тази единствена съдържаща кислород група върху захарния компонент на РНК оказва изненадващо силно влияние върху това дали молекулите ще се съберат, ще запазят динамичния си характер или ще преминат в състояние на гелообразен материал“, отбеляза водещият автор Гейбъл Уодсуърт.

Това може да бъде от голямо значение за разбирането на начина, по който е възникнал животът на Земята, тъй като подсказва механизъм, чрез който полезните молекули са се концентрирали още преди появата на клетките.

Според хипотезата за „света на РНК“, в миналото РНК е изпълнявала както генетични, така и химични функции, преди ДНК и протеините да поемат голяма част от тези роли. Отделните молекули РНК, разпръснати в древните водни басейни, обаче биха имали малко възможности за многократни взаимодействия.

Кондензатите предлагат възможно решение. Това в никакъв случай не е доказана хипотеза, но е правдоподобна.

„Те биха могли в крайна сметка да ни позволят да разгледаме още по-дълбоки въпроси – например дали тези кондензати са помогнали за преодоляване на пропастта между простите молекули и най-ранните форми на живот“, казва Банерджи. Следователно проучването предполага, че РНК може да е притежавала заложена химична склонност към самоорганизация – каквато ДНК няма в същата степен.

Снимка: Unsplash 

Виж още: Находчивост и сръчни ръце превърнаха смартфон за ремонт в мини РС (ВИДЕО)