Учёные выяснили, почему РНК легче образует защитные конденсаты, чем ДНК

Одной из загадок происхождения жизни остаётся вопрос о том, как первые молекулы РНК могли взаимодействовать и сохраняться до появления клеток. В первичном бульоне отдельным молекулам было бы трудно найти друг друга, собраться в достаточной концентрации и выдержать неблагоприятные условия ранней Земли.

Возможным решением могли стать безмембранные конденсаты — жидкоподобные капли, в которых молекулы РНК концентрируются за счёт самостоятельной сборки. Такие структуры повышают вероятность взаимодействия РНК и, вероятно, могут частично защищать её от высокой температуры и кислотности окружающей среды.

Исследование учёных из Университета Буффало, опубликованное 31 июля в Nature Communications, объясняет, почему РНК особенно склонна образовывать подобные капли. Работа проводилась совместно с Джерелл Джозеф, доцентом кафедры химической и биологической инженерии Принстонского университета.

РНК начинает собираться при более низкой температуре

Команда Прии Р. Банерджи сравнила РНК с одноцепочечной ДНК, имеющей практически такие же последовательности. В экспериментах РНК начинала формировать конденсаты примерно на 10 °C ниже, чем соответствующая ДНК. Это указывает на то, что РНК легче переходит в состояние, при котором молекулы собираются в общие капли.

Кроме того, внутри капель РНК быстрее формировала взаимосвязанные сети. Из-за этого материал мог переходить из жидкоподобного состояния в более жёсткую гелеобразную структуру. По мнению исследователей, такая перестройка потенциально усиливала устойчивость РНК в суровой среде.

Ключевым фактором оказалось небольшое химическое различие между двумя типами нуклеиновых кислот. В сахарной группе каждого звена РНК есть гидроксильная группа 2′-OH, отсутствующая у ДНК. Таким образом, РНК и ДНК отличаются в этой части всего одним атомом кислорода на сахарный остаток.

Роль магния и молекул воды

С помощью температурно-контролируемой микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния и молекулярно-динамического моделирования учёные изучили, как это отличие влияет на поведение молекул. Результаты показали, что группа 2′-OH, по-видимому, помогает РНК сильнее взаимодействовать с ионами магния и удерживать меньше молекул воды вокруг своего остова по сравнению с ДНК.

Эти особенности облегчают сближение молекул РНК при нагревании и способствуют образованию конденсатов. Исследователи также проверили вывод экспериментально: они заменили группу 2′-OH на 2′-O-Me — химическую модификацию, которая встречается в природной РНК.

После такой замены способность РНК к конденсации снизилась. Одновременно изменилось поведение образовавшихся структур: модификация повлияла на то, сохраняли ли конденсаты жидкое состояние или переходили в гелеобразную форму.

По словам первого автора работы Гейбла Уодсворта, одна кислородсодержащая группа способна заметно влиять на то, объединяются ли молекулы РНК, сохраняют ли подвижность или превращаются в более плотное гелеобразное вещество. Авторы считают, что результаты помогают связать молекулярные особенности РНК с её способностью к самоорганизации — свойством, которое могло иметь значение на ранних этапах возникновения жизни.