Учёные обновили представления о происхождении генетического кода.
Универсальный генетический код позволяет цепочкам ДНК и РНК, состоящим из четырех типов нуклеотидов, преобразовываться в белковые последовательности, состоящие из 20 аминокислот. Этот сложный процесс развивался постепенно и эволюционировал, в то время как предыдущие попытки установить четкую «хронологию» появления аминокислот в генетическом коде основывались в основном на данных о химической доступности соединений в условиях, предшествовавших биологии.
В частности, известный эксперимент Миллера-Юри демонстрировал, что в далеком прошлом молнии в атмосфере Земли могли способствовать образованию органических молекул, которые вместе с дождем попадали в так называемый «первичный бульон». Теперь исследовательская группа из Университета Аризоны (США) обнаружила, что ранняя жизнь предпочитала простые и небольшие молекулы аминокислот, в то время как более крупные и сложные аминокислоты добавлялись к коду позже.
Авторы научной статьи, опубликованной в журнале PNAS, предложили новую оценку порядка включения аминокислот в генетический код, основываясь не на абиотических факторах (таких как температура, свет, влажность и химический состав воздуха и воды), а на анализе белковых доменов — относительно коротких, устойчивых фрагментов белковой цепи, способных функционировать и развиваться независимо, которые возникли у последнего универсального общего предка (LUCA).
Команда ученых под руководством Соусан Вехби (Sawsan Wehbi) провела сравнительный филогенетический анализ тысяча семейств белковых доменов, относящихся к LUCA, и реконструировала их аминокислотные последовательности. Этот метод позволил определить, как реальные потребности организмов, а не только условия окружающей среды, влияли на порядок добавления аминокислот в генетический код.
Выяснилось, что более простые и мелкие аминокислоты вошли в состав универсального генетического кода раньше, чем предполагали ученые. То же самое относится и к аминокислотам, связанным с металлами и содержащим серу (например, цистеин, метионин и гистидин). Таким образом, металлоферменты и серосодержащие белковые компоненты сыграли критически важную роль в начальных этапах эволюции клеточного метаболизма.
Кроме того, современный генетический код мог возникнуть после исчезновения древних вариантов. Дело в том, что среди доменов, появившихся до LUCA, наблюдалось повышенное содержание ароматических аминокислот, таких как триптофан и тирозин, хотя их традиционно считали «поздними новичками».
В тексте научной работы также упоминается, что порядок включения аминокислот в генетический код мог быть искажен в рамках лабораторных экспериментов, поскольку последние не всегда адекватно отражают реальные условия в древних клетках.
«Это указывает на то, что до появления современного генетического кода могли существовать альтернативные системы кодирования аминокислот, которые ушли в глубь геологического времени. Ранняя жизнь, похоже, «предпочитала» кольцевые структуры», — заключили авторы нового исследования.
Таким образом, генетики смогли пересмотреть порядок формирования универсального генетического кода, показав, что он не был полностью определен абиотической доступностью аминокислот, а формировался под воздействием метаболических и структурных особенностей древних клеток. Полученные результаты имеют важное значение для понимания процессов, способствующих возникновению жизни на Земле, и могут помочь в поисках жизни за пределами нашей планеты.