Биологи выяснили, как образуются РНК‑капли, сыгравшие важную роль в зарождении жизни на Земле

Под воздействием тепла скопления РНК превращаются в капли, похожие на жидкость. Исследование показало, что температура может изменять физические свойства РНК‑конденсатов, позволяя более сетчатой структуре «расслабляться» и принимать форму округлых капель

В контексте зарождения жизни есть своя проблема из разряда «что было раньше — курица или яйцо». Как РНК могла способствовать появлению первых клеток, если клеток, в которых она могла бы находиться, ещё не существовало?

Без компартментализации клетки этим уязвимым молекулам было бы чрезвычайно сложно найти друг друга в достаточном количестве в пресловутом «первичном бульоне», не говоря уже о том, чтобы выжить в суровых условиях ранней Земли.

Ответ может заключаться в способности РНК самостоятельно собираться в жидкоподобные капли, или конденсаты. Такие безмембранные образования могли концентрировать молекулы РНК, повышая вероятность их взаимодействия друг с другом и потенциально защищая их от жаркой и кислой окружающей среды.

Новое исследование под руководством учёных из Университета Буффало проливает свет на то, почему РНК особенно склонна к образованию таких капель. Работа, опубликованная 31 июля в Nature Communications, показала, что крошечное химическое различие между РНК и ДНК помогает объяснить, почему РНК легче организуется в капли при повышении температуры и почему эти капли более склонны превращаться в жёсткие гелеобразные сетчатые структуры.

«Эти результаты впервые показывают, как удивительно небольшие изменения молекулярной химии могут управлять возникновением гораздо более крупных самоорганизующихся биомолекулярных структур, таких как конденсаты РНК», — говорит ведущий автор исследования Прия Р. Банерджи, профессор физики Университета Буффало.

Исследование проводилось совместно с Джерелл Джозеф, доцентом кафедры химической и биологической инженерии Принстонского университета.

Развивая предыдущую работу, исследователи сравнили способность РНК образовывать капли со способностью одноцепочечной ДНК с практически такими же последовательностями.

В экспериментах группа Банерджи показала, что РНК начинала формировать капли при температуре примерно на 10 °C ниже, чем соответствующая ДНК, что указывает на большую склонность РНК к конденсации. Кроме того, молекулы РНК легче формировали внутри капель взаимосвязанные сети, превращая материал из жидкоподобного в более гелеобразный, что потенциально могло лучше защищать РНК в суровых условиях среды.

Одна из ключевых причин, по‑видимому, заключается в том, что РНК и ДНК химически отличаются всего одним атомом кислорода в каждой сахарной группе. Каждый сахарный остаток РНК содержит химическую группу, называемую 2′‑гидроксилом (2′‑OH), которой нет в ДНК.

Используя микроскопию с контролем температуры, малоугловое рентгеновское рассеяние и молекулярно‑динамическое моделирование, выполненное группой Джозеф, исследователи обнаружили, что 2′‑OH, по‑видимому, помогает РНК сильнее взаимодействовать с ионами магния и удерживать меньше молекул воды вокруг своего остова, чем ДНК. Эти различия способствуют тому, что при повышении температуры молекулы РНК легче собираются вместе.

Чтобы дополнительно проверить роль 2′‑OH, исследователи химически модифицировали эту группу, превратив её в 2′‑O-Me, модификацию, распространённую в природной РНК. Это снизило склонность РНК к конденсации и изменило то, оставались ли образующиеся конденсаты жидкими или превращались в гелеобразные структуры.

«Эта единственная кислородсодержащая группа на сахаре РНК оказывает удивительно сильное влияние на то, объединяются ли эти молекулы, сохраняют ли они динамичность или же превращаются в гелеобразное вещество», — сказал первый автор статьи Гейбл Уодсворт, доктор философии, постдокторант в лаборатории Банерджи.