Несмотря на впечатляющее разнообразие, почти каждая форма жизни – от бактерий до синих китов – имеет один и тот же генетический код. То, как и когда возник этот код, стало предметом многочисленных научных споров.
Используя новый подход к старой проблеме, Сосан Вехби из Университета Аризоны обнаружил веские доказательства того, что версия учебника о том, как эволюционировал универсальный генетический код, нуждается в пересмотре. Вехби является первым автором исследования, опубликованного в журнале PNAS, в котором предполагается, что порядок, в котором были набраны аминокислоты — строительные блоки кода — противоречит тому, что широко считается «консенсусом» эволюции генетического кода.
«Генетический код — это удивительная вещь, в которой цепочка ДНК или РНК, содержащая последовательности из четырех нуклеотидов, транслируется в белковые последовательности с использованием 20 различных аминокислот», — сказала Джоанна Масел из Университета Альберты. «Это невероятно сложный процесс, и наш код на удивление хорош. Он почти оптимален для целой кучи вещей, и он, должно быть, эволюционировал поэтапно».
Исследование показало, что ранняя жизнь предпочитала более мелкие молекулы аминокислот более крупным и сложным, которые были добавлены позже, в то время как аминокислоты, которые связываются с металлами, присоединились гораздо раньше, чем считалось ранее. Наконец, команда обнаружила, что сегодняшний генетический код, вероятно, появился после других кодов, которые с тех пор вымерли.
Авторы утверждают, что современное понимание того, как эволюционировал код, ошибочно, поскольку оно опирается на вводящие в заблуждение лабораторные эксперименты, а не на эволюционные доказательства. Например, один из краеугольных камней традиционных взглядов на эволюцию генетического кода покоится на знаменитом эксперименте Юри-Миллера 1952 года, в котором была предпринята попытка смоделировать условия на ранней Земле, которые, вероятно, стали свидетелями зарождения жизни.
Хотя этот эксперимент показал, что неживая материя может стать основой для жизни, включая аминокислоты, посредством простых химических реакций, его значение было поставлено под сомнение.
Например, он не дал никаких аминокислот, содержащих серу, несмотря на то, что этот элемент был в изобилии на ранней Земле. В результате, серные аминокислоты, как полагают, присоединились к коду гораздо позже. Однако результат вряд ли удивителен, учитывая, что сера была исключена из ингредиентов эксперимента.
По словам соавтора Данте Лауретты из Университета Альберты, богатая серой природа ранней жизни дает знания для астробиологии, особенно для понимания потенциальной обитаемости и биосигнатур внеземных сред.
«В таких мирах, как Марс, Энцелад и Европа, где преобладают соединения серы, это может помочь нам в поисках жизни, выделив аналогичные биогеохимические циклы или микробный метаболизм», — сказал он. «Такие идеи могут уточнить, что мы ищем в биосигнатурах, помогая обнаруживать формы жизни, которые процветают в богатых серой или аналогичных химических средах за пределами Земли».
Команда использовала новый метод для анализа последовательностей аминокислот по всему дереву жизни, вплоть до последнего универсального общего предка, или LUCA, гипотетической популяции организмов, которая жила около 4 миллиардов лет назад и представляет собой общего предка всей жизни на Земле сегодня. В отличие от предыдущих исследований, в которых использовались полноразмерные белковые последовательности, Вехби и ее группа сосредоточились на белковых доменах, более коротких участках аминокислот.
«Если представить себе белок как автомобиль, то домен подобен колесу», — сказал Вехби. «Это деталь, которую можно использовать во многих разных автомобилях, а колеса существуют гораздо дольше, чем автомобили».
Чтобы выяснить, когда конкретная аминокислота, вероятно, была включена в генетический код, исследователи использовали инструменты статистического анализа данных для сравнения обогащения каждой отдельной аминокислоты в последовательностях белков, относящихся ко времени LUCA и даже к более раннему времени.
Аминокислота, которая преимущественно появляется в древних последовательностях, вероятно, была включена на ранней стадии. Напротив, последовательности LUCA истощены для аминокислот, которые были привлечены позже, но стали доступны к тому времени, когда появились менее древние белковые последовательности.
Команда идентифицировала более 400 семейств последовательностей, восходящих к LUCA. Более 100 из них возникли еще раньше и уже диверсифицировались до LUCA. Оказалось, что они содержат больше аминокислот с ароматическими кольцевыми структурами, такими как триптофан и тирозин, несмотря на то, что эти аминокислоты были поздними добавлениями к нашему коду.
«Это дает намёки на другие генетические коды, которые существовали до нашего и которые с тех пор исчезли в бездне геологического времени», — сказал Масел. «Похоже, что ранняя жизнь любила кольца».
