Правые РНК, левые белки

Некоторые молекулы в растворе могут вращать плоскость поляризации проходящего света. Происходит это потому, что одно и то же вещество может существовать в двух пространственных формах – стереоизомерах: левых (L) и правых (D). Первые вращают плоскость поляризации света влево, вторые – вправо. В остальном стереоизомеры одинаковы. Структурно они зеркальны, как левая и правая рука. Это явление называют хиральностью.

В химических системах хиральные вещества, как правило, образуют смесь L- и D-изомеров в равных пропорциях. А вот в биологических системах вещества представлены лишь одним изомером. Например, белки состоят из L-аминокислот, нуклеиновые кислоты – из сахара D-(дезокси)рибозы. Фосфолдипиды встречаются только в виде L-изомеров. Это означает, что все биологические системы обладают хиральной чистотой, или гомохиральностью.

Гомохиральность возникла еще у предшественников первичной клетки и затем закрепилась в процессе эволюции. Но до сих пор неизвестно, каким образом протобионты извлекали из смеси стереоизомеров только один тип. Существует много гипотез, объясняющих, как это могло произойти. По версии одних, гомохиральность обеспечивали древние биополимеры. По версии других, сначала возникли хирально чистые растворы веществ-мономеров, которые затем собирались в полимеры.
Пытаясь разгадать загадку появления гомохиральности биополимеров, биологи из Уханьского университета разработали математическую модель, основанную на гипотезе о «мире РНК». Согласно этой гипотезе, первыми живыми полимерами были рибонуклеиновые кислоты (РНК), катализирующие собственные химические превращения. Справедливость новой модели ученые проверили с помощью компьютерной симуляции возникновения хиральности из раствора L- и D-изомеров нуклеотидов – мономеров РНК. Оказалось, что гомохиральная РНК, создавая свои копии, использует мономеры с теми же характеристиками, что и ее собственные, иными словами, проводит хиральный отбор: L-РНК выбирает левую рибозу, D-РНК – правую.

Спонтанно возникшие первые гомохиральные нуклеиновые кислоты служили матрицей для воспроизведения себе подобных. В среде с ограниченными ресурсами побеждали РНК, наиболее быстро воспроизводящиеся и устойчивые к мутациям. Гомохиральные полимеры имели преимущество перед геторохиральными, поскольку изменение хиральности даже одного мономера не позволяло завершить синтез. К тому же при полимеризации только одного типа изомеров получаются более длинные цепи РНК, которые специфичнее и быстрее производят хиральный отбор из смеси изомеров. По мнению китайских исследователей, правые сахара были отобраны для построения нуклеиновых кислот только потому, что скорость их включения в полимер немного выше, чем у левых изомеров.

Это исследование показывает, что хиральная чистота в живых системах могла возникнуть одновременно с появлением биополимеров – РНК. Несмотря на правдоподобие этого сценария, тайна гомохиральности живой материи до конца не раскрыта. Все еще непонятно, как появились левые белки.

(PLoS Comput Biol, 2020, 16, 1: e1007592)