Една от основните загадки за произхода на живота е класическият проблем „с кокошката и яйцето“: как РНК е могла да допринесе за създаването на първите клетки, ако все още не са съществували клетки, способни да задържат РНК в себе си? Без клетъчни компартменти крехките РНК молекули биха се сблъскали със сериозни трудности на ранната Земя. Те би трябвало доста често да се срещат една с друга, за да взаимодействат и освен това, да оцеляват в гореща, кисела и химически агресивна среда.

Едно от възможните решения е способността на РНК да се събира в течноподобни капчици, известни като кондензати. Тези структури нямат мембрани, но могат да концентрират РНК молекулите на едно място. Това би увеличило шансовете за химически взаимодействия и едновременно с това би осигурило известна защита от суровата околна среда.

Ново проучване, ръководено от Университета в Бъфало помага да се обясни защо РНК образува особено добре такива кондензати. Работата на учените е публикувана в Nature Communications и показва, че много малка химическа разлика между РНК и ДНК оказва силно влияние върху това колко лесно РНК образува капчици при повишаване на температурата. По всичко личи, че тази химическа особеност прави РНК кондензатите по-склонни към образуване на взаимосвързани мрежи и към преход от течно състояние към по-твърда, гелообразна структура.

„Тези резултати за първи път показват как удивително малки промени в молекулярната химия могат да управляват възникването на много по-големи самоорганизиращи се биомолекулярни структури, като например РНК-кондензати. Те могат в крайна сметка да ни позволят да отговорим на още по-дълбоки въпроси, например дали тези кондензати са помогнали да се преодолее различието между простите молекули и най-ранните форми на живот.“

казва водещият автор и кореспондент Прия Р. Банерджи, доктор по философия и професор по физика в Университета в Бъфало

РНК е необичайна с това, че може както да съхранява генетична информация, така и да катализира химични реакции. Тези способности биха могли да позволят на ранните РНК-молекули да осъществяват химични процеси, които в крайна сметка са довели до появата на ДНК, протеини и първите клетки.

Въпреки това теорията за „света на РНК“ дълго време се сблъскваше със сериозни нерешени въпроси. РНК е относително нестабилна, което поставя проблема за нейното оцеляване в суровите пребиотични условия. Учените трябва също така да обяснят как достатъчно количество РНК-молекули е могло да се събере на едно място, за да взаимодейства, преди появата на клетъчните мембрани. РНК кондензатите могат да дадат част от отговора.

В лабораторни експерименти изследователите са установили, че РНК започва да образува капчици при температура, която е с около 10 градуса Целзий по-ниска от тази на съответната ДНК. Това означава, че РНК има значително по-силна склонност към кондензация. Молекулите на РНК също така по-често са образували свързани мрежи вътре в капчиците. С развитието на тези мрежи капките са се превръщали от по-течен материал в нещо по-гелообразно. Такъв преход потенциално би могъл да помогне за защитата на РНК в сложни условия на околната среда.

По всичко личи, че причината се свежда до изключително малка разлика в молекулярната структура. РНК и ДНК се различават химически само с един кислороден атом във всяка захарна единица. Всяка захар в РНК съдържа химична група, наречена 2′-хидроксилна (2′-OH), която липсва в ДНК.

За да разберат как тази особеност променя поведението на РНК, изследователите са използвали термоконтролирана микроскопия, малък ъгъл на рентгеново разсейване и моделиране на молекулярната динамика, извършено от екипа на Джоузеф. Резултатите им позволяват да се предположи, че 2′-OH позволява на РНК да взаимодейства по-силно с магнезиевите йони. Също така, РНК, по всичко личи, задържа по-малко водни молекули около своя скелет, отколкото ДНК. Заедно тези разлики улесняват сближаването и сглобяването на РНК молекулите при повишение на температурата.

Екипът е проверил значението на 2′-OH още по-задълбочено, като я модифицира химически в 2′-Ome, подобно на това, което се среща в много естествени РНК. Тази модификация е намалила склонността на РНК към образуване на кондензати, а също така е променила крайния резултат – дали получените структури остават течни или преминават в гелообразно състояние.

„Тази единствена кислородсъдържаща група върху РНК захарта оказва удивително силно влияние върху това дали тези молекули се събират заедно, остават ли динамични или преминават в гелообразно състояние.“

казва първият автор Гейбъл Уодсуърт, доктор по философия и постдокторант в лабораторията на Банерджи

Лабораторията на Банерджи в момента се опитва да развие тези резултати по-нататък, като създава изкуствени капчици РНК, способни да изпълняват някои основни функции на клетките, включително биохимични реакции. Изследователите работят върху програмирането на тези капчици, така че те да се държат като активни, динамични отделения с размерите на клетка. В случай на успех тази работа може да постави основите за създаването на синтетични клетки, състоящи се изцяло от РНК. Тя също така може да даде ново разбиране за това как простите молекули са започнали да се организират във все по-сложни системи много преди появата на съвременните клетки.