Читать книгу От истока генетического кода к технологиям грядущего лидерства - - Страница 5

Часто утверждают, что генетический код реализуется в рибосоме при считывании информационной РНК (иРНК). Однако более точный и глубокий взгляд показывает: рибосома не создаёт код, а лишь собирает белок, механически соединяя аминокислоты в порядке, заданным последовательностью кодонов. Сам код «прочитан» заранее – на уровне транспортной РНК (тРНК).

Каждая молекула тРНК несёт в себе два элемента: аминокислоту и кодирующий её антикодон. В ней физически соединены два алфавита – нуклеотидный и аминокислотный. Но кто устанавливает это соответствие?

Ключевая фигура в этом механизме – аминоацил-тРНК-синтетаза (Рис. 3). Это не просто фермент, а молекулярный редактор и обучатель: именно она «наставляет» тРНК, присоединяя к ней родную аминокислоту. И это не просто химическая реакция – это акт точной селекции, распознавания и согласования двух принципиально разных молекулярных миров. Процесс состоит из двух этапов. Сначала нужная аминокислота распознается синтетазой и активируется: её карбоксильная группа образует высокоэнергетическую связь с фосфатом AMP. Затем активированная аминокислота переносится на 3'-конец тРНК. Но важно, что до этого синтетаза удерживает тРНК с антикодоном для этой аминокислоты у себя, обеспечивая точное позиционирование.

Рис. 3: Схема селективной сборки траспортной РНК с соответсвующей аминоксилотой при помощи тРНК-синтетазы.

Таким образом, именно в точке контакта синтетазы, тРНК и аминокислоты, возможно проследить истоки самого генетического кода. Можно ли углубиться в эти молекулярные структуры настолько, чтобы реконструировать момент, когда впервые возникла логика соответствия? Исследования генов и структур синтетаз у примитивных форм жизни – архей и бактерий, могут пролить свет на до-рибосомную эпоху, когда код ещё формировался. Если удастся найти синтетазы или тРНК с упрощённой архитектурой, это станет окном в прошлое – туда, где РНК и аминокислоты только начинали «договариваться».

Почему трудно понять происхождение генетического кода?

Предыдущие пункты позволяют взглянуть на генетический код с двух сторон. С одной стороны, перед нами стройная система с внутренними закономерностями. Классический пример – дегенерация кода: одни и те же аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Или, например, структурная симметрия по второй позиции кодонов, связывающая гидрофобные и гидрофильные аминокислоты. Всё это наводит на мысль, что генетический код мог возникнуть в рамках некого единого процесса, пока не поддающегося полной реконструкции.

С другой стороны, если обратиться к современному механизму трансляции, становится очевидным, что генетический код как бы реализуется не в одной точке, а разнесен на расстояние на полюса аминоацил-тРНК-синтетазы. В одном полюсе селективно присоединяется аминокислота, в другом реализуется селективное удержание тРНК с соответствующими антикодонами.

Возникает дилемма: следует ли искать принципы происхождения кода внутри самого кода, в его распределении аминокислот по кодонам или, наоборот, углубляться в молекулярные механизмы его реализации, исследуя биохимические особенности взаимодействий тРНК, аминокислот и синтетаз у представителей различных ветвей живого?

Здесь необходима трезвая критическая позиция. Углубление в молекулярные детали современных клеток, каким бы продуктивным оно ни было, не обязательно приближает нас к моменту происхождения самого кода. Современные молекулы – это результат длительной эволюции и отбора, а не его исходная платформа. Мы не можем считать их автоматическим отражением первичных состояний.

Что если гены не предшествовали коду, а напротив – появились как производная уже работающего механизма соответствия между РНК и аминокислотами? В этом случае анализ современных генов и белков, даже таких важных для реализации кода как тРНК синтетаза, – это не путь к истокам, а попытка прочесть исходный чертёж по поздней архитектуре. Тогда углубление в «гены ЛУКИ» может оказаться ограниченным инструментом. Без учёта исторической контекстуальности молекул, без реконструкции их возможных предшествующих состояний, мы рискуем принять результат – за причину.

Если бы нас спросили о происхождении автомобиля, то мы бы без труда ответили бы примерно следующее. Сначала была телега с четырьмя колесами. Автомобиль появился тогда, когда стало возможным заменить лошадь, тянущую телегу, на двигатель. Но если бы мы ничего не знали о телеге, как бы мы смогли прийти к правильному ответу? Вероятно, мы бы заметили общую структуру автомобиля с четырьмя колесами, как необходимое условие для передвижения и додумались бы до того, что все остальное было подчинено наиболее эффектному управлению движением такой структуры. Безумным было бы разделить автомобиль на двигатель, на отдельные колеса, на электрические компоненты и начать углубляться в молекулярные структуры этих частей. Так, например, изучая химический состав шин можно было бы прийти к гипотезе о происхождении автомобиля вследствие эволюции каучука. Углубляясь в электрические компоненты, можно было бы составить красивую гипотезу о происхождении автомобиля вследствие эволюции электрических схем. Недостающее звено эволюции между лампочкой и автомобилем можно было оставить на исследование будущих поколений в полной уверенности ненулевой вероятности такого перехода.

Рис. 4: Гипотеза происхождения жизни из молекулярного хаоса как дойная корова.

Подобная ловушка в познании была описана Готфридом Вильгельмом Лейбницем на рубеже 18 века и получила название мельницы Лейбница. Лейбниц заметил, что если находится внутри мельницы и видеть только вращающиеся шестеренки, то совершенно невозможно понять, для чего эта мельница существует. Обращение Лейбница к методам познания было не случайно. Его современники с удивление обнаружили, что методы познания, основанные не на углублении в детали, а на поиск общих принципов являются наиболее эффективными. Так, например, законы Ньютона явились очень удобными для описания движения тел. Вместе с тем эти законы выглядели парадоксально – они постулировали мгновенное, почти чудодейственное взаимодействие на расстоянии. По счастью, в то время можно было довольствоваться простотой и универсальностью законов. Никто не требовал от Ньютона доказательства существования гравитонов.

Увидеть лес за деревьями в случае с происхождением генетического кода оказывается куда более сложная задача. Мудрецы, разбирая клетку на её отдельные компоненты, продолжают искать происхождение жизни и генетического кода в эволюции РНК, пептидов, или липидных оболочек. Так, например, синтезируя в идеальных условиях каталитически активные РНК они обнаруживают, что такие молекулы не могут сами себя воспроизводить. Эксперименты с липидными оболочками показывают, что они просто не могут решить проблему диффузии для необходимых молекулярных компонент. Мельница Лейбница содержит так много шестерёнок, что в ней хватит места для огромного числа догматических тупиков, подаваемых под соусом молекулярной эволюции из молекулярного хаоса (Рис. 4).