Рибосома - природный наноробот

[a_burlaka]

    В книге Александра Маркова (macroevolution) "Рождение сложности" есть интереснейший фрагмент о том, как учёные разгадали ряд загадок рибосомы - элемента живой клетки, который производит синтез белка на основе молекулы РНК. Фактически, речь идёт о  нанороботе по производству продукции на основе введённой программы. Долгое время учёные не могли понять, как же он появился. И вот история этого исследования. Своего рода научная головоломка.

     

       

Рибосомы у всех живых существ ­ от бактерий до человека ­ устроены очень похоже. По­видимому, это означает, что рибосомы в их современном виде имелись уже у о щеrо предка всех нынешних форм жизни ­ у Луки, о котором rоворилось в начале rлавы. Рибосома состоит из двух частей, или субъединиц, ­ большой (rлавной) и малой (вспомоraтельной). Основу обеих субъединиц составляют молекулы рибосомной РНК (рРНК). Снаружи к молекулам рРНК прилеrают молекулы рибосомных белков. Поскольку рибосомы иrрают rлавную роль в синтезе белка (трансляции), вопрос о происхождении синтеза белка фактически сводится к вопросу О происхождении рибосом.

­         До caMoro недавнеrо времени мноrим экспертам казалось, что заrадка происхождения рибосом вряд ли коrда­нибудь бу­дет разrадана. Ведь в природе не осталось никаких "переходных звеньев", то есть более простых молекулярных комплексов, которые моrли бы претендовать на роль "предков" рибосом. Oд­нако в начале 2009 rода канадские биохимики, похоже, нашлиключик к этой тайне в самой структуре рибосом современных орrанизмов  .

Они сосредоточились на самой rлавной части рибосо­мы ­ на молекуле РНК, которая называется 23 S - ­рРНК и яв­ляется основой большой субъединицы рибосомы. Эта моле­

кула весьма велика: она состоит почти из 3000 нуклеотидов. В клетке она сворачивается в сложный трехмерный "клубок".

         Разные петли, выступы и друrие элементы структуры этоrо "клубка" обеспечивают выполнение разных функций: связь с рибосомными белками, присоединение малой субъединицы,присоединение и удерживание в нужных позициях молекул транспортных РНК (тРНК), которые несут на своих "хвости­ках" аминокислоты, необходимые для синтеза белка.

Проведенные ранее эксперименты показали, что рибо­ сомные белки иrрают в рибосоме вспомоrательную роль: они делают ее более стабильной и повышают эффективность ее работы, однако все rлавные действия, необходимые для син­теза белка, осуществляются не белками, а рибосомными РНК.

          Это значит, что изначально рибосомы моrли состоять толь­ко из рРНК, а белки добавились позже. Самый rлавный этап трансляции ­ - присоединение аминокислот к синтезируемой белковой молекуле ­ осуществляется молекулой 23S-рРНК. Поэтому лоrично предположить, что все началось именно с этой молекулы.

          Однако молекула 2ЗS-РРНК слишком велика и сложна, чтобы появиться в готовом виде в результате случайноrо комбинирования нуклеотидов. Таким образом, ключевой ­опрос

­состоит в том, моrла ли 2ЗS­РРНК произойти от более про­ стой молекулы­ предшественницы в результате постепенной эволюции, то есть путем последовательноrо добавления новых фраrментов. Ученым удалось показать, что структура 2ЗS-РРНК свидетельствует именно о таком ее происхождении.

         Целостность трехмерной структуры молекулы 2ЗS­РРНК поддерживается разнообразными связями между ее участками. Некоторые части молекулы сворачиваются в двойные спирали. К двойным спиралям "приклеиваются" друrие участки молеку­

лы, состоящие из нескольких идущих подряд аденозинов. Свя­зи, возникающие между двоиными спиралями и стопками аденозинов, необходимы для поддержания стабильной Tpex­мерной структуры той части молекулы, к которой принадле­жит аденозиновая стопка, но они не влияют на стабильность той ее части, к которой принадлежит двойная спираль. Иными словами, если мы разорвем какую­нибудь из этих связей, это нарушит структуру той части молекулы, rде находится aдeнозиновая "стопка", но не причинит вреда той части, rде распо­ложена двойная спираль. Таким образом, если 2ЗS­РРНК раз­вивалась постепенно из простои молекулы­-предшественницы, то сначала должны были появляться двойные спирали, и толь­ко потом к ним моrли пристраиваться аденозиновые стопки.

          Изучая структуру 2ЗS­РРНК, исследователи обратили вни­мание, что в однои части молекулы имеется скопление двоиных спиралей и почти нет аденозиновых стопок. Это наблюдение навело ученых на мысль, что эволюция молекулы 2ЗS­РРНК моrла начаться именно с этоrо фраrмента молекулы.

          Но если этот фраrмент был той "затравкой", с которой нa­чалась эволюция 2ЗS­РРНК, то следует ожидать, что именно в нем находится какой­то важный функциональный центр моле­кулы. Так ли это? Оказывается, это действительно так: именно этот участок молекулы 2ЗS­РРНК иrрает ключевую роль в при­соединении аминокислот к синтезируемому белку. Он yдepживает в правильных позициях "хвосты" двух молекул тРНК (той, что принесла предыдущую аминокислоту, уже присоеди­ненную к белку, и той, что принесла следующую аминокисло­ту). Именно этот участок молекулы обеспечивает сближение новой аминокислоты с предыдущей, уже присоединенной к белку, и катализирует соединение аминокислоты с белком.

          Обнаружив эти факты, исследователи перешли к более тонкому анализу структуры 2ЗS­РРНК. Они подразделили молекулу на 60 относительно самостоятельных структурных блоков и детально проанализировали характер связей между ними. Фактически они рассматривали молекулу как сложный трехмерный "пазл" и пытались выяснить, поддает­ся ли он сборке и разборке без поломки деталей. Оказалось, что молекулу действительно можно постепенно "разобрать", ни разу не нарушив структуру остающихся блоков. Снача­ла можно отделить 19 блоков, причем структура оставшихся блоков остается неповрежденной. После этоrо отделяются еще 11 блоков, затем еще 9, 5, 3, 3, 2, 2, 2; наконец, еще три блока можно отделить последовательно по одному. После этоrо остается "неразобранным" лишь маленький фраrмент

молекулы, составляющий 7% от ее общей массы. Этот нepa­зобранный фраrмент представляет собой тот самый катали­ тический центр, ответственный за удерживание двух молекул тРНК и присоединение аминокислот к белку.

            Возможность последовательной разборки молекулы без по­вреждения остающихся частей ­ факт весьма нетривиальный. Все блоки молекулы связаны дрyr с дрyrом, причем связи эти

имеют направленный характер: при их разрыве один блок по­вреждается, а дрyrой ­ нет. Можно представить систему блоков и связей между ними как множество точек, соединенных стрел­

ками, причем стрелка будет указывать на тот блок, который по­вреждается при разрыве связи. Если бы эти стрелки образовали хотя бы одну кольцевую структуру (иными словами, если бы мы, двиrаясь из какой­то точки по стрелкам, моrли вернуться в ту же точку), то разобрать молекулу без повреждения остающихся частей было бы невозможно. Однако ни одной такой кольце­ вой структуры в молекуле 2ЗS­РРНК не обнаружилось. Если бы ­направление связей было случайным, вероятность отсутствия кольцевых структур составляла бы менее одной миллиард­ной. Значит, это вряд ли результат случайности. По­видимому, структура связей между блоками молекулы отражает последова­ тельность добавления этих блоков в ходе постепенной эволю­ции молекулы.

           Получается, что исходной функциональной молекулой ­ "проторибосомой" , С которой началась эволюция рибосомы, ­ был каталитический центр молекулы 2ЗS­-Р РНК, ответсвенный за соединение аминокислот. Моrла ли такая "проторибосома" , способная удерживать

две молекулы тРНК и сближать в пространстве прикрепленные к ним аминокислоты, выполнять какую­то полезную функцию в РНК­орrанизме? Эксперименты позволяют ответить на этот вопрос утвердительно. Методом искусственной эволюции были получены функциональные РНК (рибозимы), способ­ ные катализировать соединение аминокислот, прикрепленных к тРНК, в короткие белковые молекулы. Структура этих искус­

ственно выведенных рибозимов очень близка к структуре той проторибосоме, которую вычислили канадские биохимики на основе изучения структуры 2З S­Р РНК.

            По-­видимому, проторибосома была просто устроенным рибозимом, катализирующим синтез небольших белковых молекул в РНК­орrанизме. Специфичность синтеза понача­лу была очень низкой (аминокислоты выбирались более или менее случайно). в дальнейшем к проторибосоме добавлялись новые блоки, причем добавлялись они таким образом, чтобы

не нарушить структуру активноrо центра молекулы, а также всех тех блоков, которые присоединились ранее. Если очеред­ная мутация приводила к нарушению уже сложившихся CTPYК­

тур, она отсеивалась отбором. Ученые детально реконструировали предполаrаемый

процесс постепенной эволюции 2З S­Р РНК, Первые восемь дополнительных блоков присоединились к проторибосо­ме таким образом, что образовали нечто вроде массивноrо "основания", блаrодаря которому структура проторибосомы стала rораздо более стабильной. Следующие 12 блоков еще более укрепили и расширили это "основание". Новые блоки

образовали поверхность контакта с малой субъединицей, что позволило включить ее в состав рибосомы. В числе последних добавились блоки, образующие особые выросты на поверх­

ности большой субъединицы. Функция этих выростов состоит В том, что они помоrают рибосоме выбирать "правильную" тРНК, несущую нужную аминокислоту, а также выпускать из

рибосомы "отработанные" тРНК. В итоrе проторибосома оказалась окружена друrими блоками со всех сторон за ис­ ключением канала, который был оставлен для выхода обра­

зующейся белковой молекулы.

              Таким образом, 2З S­Р РНК, при всей ее кажущейся слож­ности, построена на основе довольно простоrо принципа. Ее блочная структура свидетельствует о том, что она моrла дoвольно быстро развиться в ходе эволюции из проторибосомы под действием мутаций и отбора.

             Между прочим, данный отрывок, на мой взгляд наиболее точно позволяет представить, каким образом будут действовать и развиваться нанороботы в будущем. Да и сама книга очень полезна в плане понимания того, как работают машины настолько маленькие, что в них нет шестерёнок и карданного вала.