Тройка, шестерка, код 11

Основной гипотезой происхождения жизни считается гипотеза РНК-мира. При всем при том ученый из Института биологии гена РАН Анатолий Альтштейн считает, что она не объясняет главного - становления генетического кода

Анатолий Альтштейн знает, как возник генетический код

Фото: Митя Алешковский

Они на пару молчком стояли на цветущем лугу. Щемящий аромат нагретой травы, цветов, порхание бабочек, легкое жужжание насекомых и теряющиеся в бело-голубой дымке просторы были сильнее слов. И все же он не утерпел: "Представляешь, все это великолепие родилось из крохотного протовироида с ДНК из трехсот нуклеотидов!" Хозяйка с досадой ткнула его в грудь кулачками.

"Человеку неуютно на Земле без понимания, как на ней появилась жизнь. Но самое забавное, что его успокаивает любое объяснение, будь оно религиозным или материалистическим. Религиозное также годится, но в нем по определению не объясняется, как Бог это сделал. Научные теории пытаются предлагать механизмы, но они на практике всю дорогу упираются во море препятствий. Я считаю, что в текущий момент мало-мальски правдоподобными выглядят две гипотезы: РНК-мира и моя", - заявляет первый академический работник Института биологии гена РАН профессор Анатолий Альтштейн, придумавший гипотезу происхождения первого живого организма, названного им протовироидом. Его гипотеза объясняет явление первого гена и генетического кода.

Миллиард лет без следа

Считается, что нашей Земле 4,6 миллиарда лет. Homo sapiens, тот, что ныне тщится находить решение вопросы своего происхождения, разошелся с обезьяной всего 5 миллионов лет назад, млекопитающие, к которым мы относимся, появились на глаз 300 миллионов лет назад, а первые позвоночные - грубо 500-600 миллионов лет назад. Чем глубже погружаются исследователи в толщу времен, тем труднее им выискивать следы жизни. Но они продолжают рыть в прямом и переносном смысле то в горах Австралии, то в Африке, соскабливая породы и изучая невидимые глазу вкрапления с помощью самого современного оборудования. Там они ищут следы первых прокариотов - простейших одноклеточных организмов, не имеющих ядра. Последние данные, полученные на основании изучения остатков стабильного и радиоактивного изотопов углерода в скалах Гренландии, позволяют сообщать о том, что нечто живое, оставившее в следах своей жизнедеятельности эти изотопы, уже существовало 3,7 миллиарда лет назад. Но если следы первых прокариотов разрешено "пощупать", то о жизни первых живых существ, длившейся примерно миллиарда лет, не возбраняется только гадать.

Первой научной гипотезой происхождения жизни ученые считают гипотезу нашего соотечественника Александра Ивановича Опарина. Как раз он сделал попытку растолковать появление первых органических соединений из неорганических. И хотя Опарин, скорее всего, был неправ, считая первыми живыми организмами маленькие обособленные кусочки органического геля - коацерваты, в которых могли образовываться белковоподобные структуры, он выступил своеобразным катализатором этого научного направления. Несметные эксперименты, проведенные позже, охватывая знаменитые опыты Стэнли Миллера, показали, что в пробирке из смеси аммиака, метана, водорода и паров воды под влиянием искры или ультрафиолета могут возникать аминокислоты - кирпичики для белков. В ходе многочисленных опытов, проделанных различными исследовательскими группами, получали не только аминокислоты, но и азотистые основания, сахара, жирные кислоты, нуклеотиды (кирпичики для ДНК и РНК). Разрешается предполагать, что на пребиотической Земле существовал обмен веществ без участия живых организмов (абиотический метаболизм), в результате которого образовывались и распадались тысячи органических веществ. Есть основания считать, что посреди них преобладало немного десятков тех, которые были нужны для возникновения жизни. Могли являться похожие на клетки, но лишенные генов образования - липидные пузырьки (липосомы). И все же это были разрозненные части жизни, но не сама изощренно организованная жизнь.

С момента открытия структуры и роли ДНК в клетке стало ясно, что все предшествующие размышления о происхождении жизни не годятся на образ гипотез, объясняющих появление первых живых существ, обязательной составной частью которых должны быть гены. Стало понятно, что главным жизненным процессом является воспроизводство генетической информации - репликация (синтез ДНК на матричной ДНК). Помогает этому синтезу особый белок - фермент полимераза. А реализация генетической информации в виде белков происходит в два этапа: РНК синтезируется на ДНК, переписывая нужную информацию с гена (транскрипция), и следом эти РНК служат матрицами для построения белков в особых молекулярных машинках - рибосомах (трансляция). Для превращения генетической информации, которая держится в состоящей из нуклеотидов ДНК, в состоящие из аминокислот белки натура использует триплетный генетический код. Каждой аминокислоте соответствует свойский триплет (тройка нуклеотидов) или два-три триплета. Но это современная система, сложная хотя бы тем, что в ней участвуют два больших мира макромолекул: полинуклеотиды (ДНК и РНК) - носители информации и полипептиды (белки), выполняющие практически все функции в организме благодаря своей химической реактивности. Как заметил как-то раз единственный из первооткрывателей структуры ДНК Фрэнсис Крик, к проблеме происхождения жизни было бы значительно легче подойти, если бы существовала только одна семейство макромолекул.

Тот же Вопль сообща с американским химиком Лесли Оргелом предположили, что первой появилась РНК. Гипотезу РНК-мира едва-едва позже развили нобелевцы Томас Чех, Филипп Шарп и Уолтер Гилберт. Гипотеза была и все ещё остается заманчивой. В самом деле, РНК может быть не только переносчиком и переводчиком, но и носителем информации (как в некоторых вирусах). Но для воспроизведения ей нужен фермент, излишне сложный, чтобы он мог невзначай собраться из аминокислот. Триумфом приверженцев РНК-мира стало открытие РНК с ферментативной активностью - их назвали рибозимами. Многообразие РНК (есть информационная, рибосомная, транспортная, различные малые РНК) и их участие во многих жизненных процессах - еще один резон в пользу этой гипотезы. Архитектура транспортной РНК, которая работает в паре с рибосомой при сборке белков из аминокислот по информации, подносимой информационной, или матричной, РНК, говорит о том, что она могла быть первой молекулой, решающей одну из самых больных задач - становления генетического кода: оттого что она связывает триплет нуклеотидов с соответствующей аминокислотой. Но, как утверждает Альтштейн, у этой гипотезы есть свои слабые стороны.

В современном мире цепочки РНК и ДНК состоят из так называемых правых нуклеотидов (в пребиотическом мире должны были наличествовать как правые, так и левые изомеры, цепочки с одинаковыми изомерами называют хирально чистыми). Так вот, возможность того, что из одиночных правых и левых нуклеотидов может определиться хирально чистая вереница РНК, содержащая не менее 200, а лучше 300 нуклеотидов, отчаянно низка. Цепь же из разноизомерных нуклеотидов ни в жизнь не сможет быть матрицей, на которой будут синтезироваться следующие цепочки.

У Альтштейна есть вопросы и к каталитическим свойствам рибозимов. Занятие в том, что современные белковые ферменты, участвующие в репликации и транскрипции, - так называемого процессивного типа: они сидят на матричной ДНК и синтезируют комплементарную цепь, сноровисто нанизывая на матрицу один за другим нуклеотиды. Одна молекула такого фермента способна копировать длинную матрицу. РНК-фермент - рибозим другого типа, он подтаскивает к матрице пару нуклеотидов, цепляет, опосля отправляется за следующими. С таковой скоростью у него ни при каких обстоятельствах не получится комплементарная цепочка: все развалится, покуда он будет так ползать. Альтернатива - уймище рибозимов, которые будут вместе с тем пристраивать к матрице безотложно страсть сколько нуклеотидов.

И наконец, как говорит Альтштейн, королевский вопрос: как произошло становление целостной генетической системы, включая генетический код и синтез белка?

Туманные предположения, что код в одно прекрасное время сложился ненароком и зафиксировался, возможно, кого-то и устроят, но только не Альтштейна, у которого есть полностью определенная версия, названная им гипотезой прогенов. Она постулирует, что первой генетической системой был один ген - цепочка однонитевой ДНК и белковый фермент, который тот самый ген кодирует. Фермент способствует воспроизводству генетической системы. Ген же собирается не из одиночных нуклеотидов, как в гипотезе РНК-мира , а из прогенов - триплетов нуклеотидов с хвостиком в виде "неслучайной" аминокислоты. Этот проген, собственно, и решает проблему генетического кода - соответствия тройки нуклеотидов определенной аминокислоте. А структура прогена позволяет синтезировать в то же время как полинуклеотид (ДНК), так и полипептид (фермент).

А прогены лучше

Все началось с любви к вирусам. На первом курсе мединститута Альтштейн делал доклад, в котором утверждал, что вирусы - живые организмы. "Тогда шли бурные споры на тему вирусов, вещество это или существо, - рассказывает он. - И я тогда поддерживал точку зрения некоторых ученых, что вирусы могли быть первыми живыми организмами. Хотя доводов в пользу этой гипотезы было намного меньше, чем сейчас, я страстно защищал эдакий взгляд". После этого института Альтштейн стал вирусологом и занимался то оспой, то клещевым энцефалитом, то аденовирусами, а больше всего - зловредными онкогенными вирусами. На мысли о происхождении жизни его навел прославленный биолог или физикохимик, как он себя называл, Лазарь Меклер, придумавший позже гипотезу стереохимического кода белков. В 1979 году Меклеру доверили быть редактором двух номеров журнала Менделеевского общества, посвященных зарождению жизни. Меклер писал заглавную статью, а Альтштейну и еще одному известному вирусологу Николаю Каверину препоручил статью о происхождении вирусов. Два вирусолога поделили тему. Каверин, как здоровый знаток современной истории вирусов, писал о своем, а Альтштейн должен был углубиться в гипотетическое зачин начал. На миг получения задания никакой гипотезы, естественно, не было, были лишь некие интуитивные предположения. Тогда только формировались представления о происхождении жизни как происхождении генетической системы и шли споры о том, какая молекула была первой - ДНК, РНК или белок, но многие уже склонялись к идее о первенстве РНК. Кстати, на тот момент еще более того не были открыты рибозимы.

Альтштейн бился над традиционным представлением, что полинуклеотиды собираются из отдельных нуклеотидов, а полипептиды - из аминокислот. Но как же тогда возникает связь между этими последовательностями, которая позволяет гену содержать информацию о конкретной последовательности конкретного белка? Свирепый от собственного мозгового бессилия, Альтштейн лег спать, и во сне ему явились плавающие нуклеотиды и аминокислоты, причем пара нуклеотид плюс аминокислота соединялась с таковый же парой, затем со следующей, и так получались цепочки из нуклеотидов и аминокислот одновременно. Он проснулся. Было раннее утро. И Альтштейн набросился на эту идею одновременного синтеза полинуклеотида и полипептида. Аккурат на идею, потому как что приснившиеся ему парочки не решали вопроса генетического кода. На что нужен был одновременный синтез бессмысленной цепочки нуклеотидов и бессмысленного белка?

Он подумал, что в конечном итоге наилучшим вариантом стала бы тройка нуклеотидов с физико-химически близкой этим нуклеотидам аминокислотой. Он как бы покопался в тех первых органических соединениях, которые могли появиться на первозданной Земле, и отобрал для этой затеи двойку нуклеотидов и нуклеотид с аминокислотой. "Нужно было соединить двойку с третьим нуклеотидом. В этом месте важную роль играет аминокислота при этом нуклеотиде, которая взаимодействует с первой двойкой. Стереохимический разбор показал, что некоторые пары нуклеотидов и определенные аминокислоты взаимодействуют между собой лучше, чем другие. Вследствие этого я называю в этом сочетании аминокислоту неслучайной, ей "нравятся" эти нуклеотиды, а она "нравится" им", - объясняет он, отчего эти соединения могли бы удачно связаться.

Рисунок: Константин Батынков

Но в то время как связь в этакий тройке слабая. Два нуклеотида связаны сильной ковалентной связью, а с третьим и аминокислотой - слабыми физико-химическими. Чтобы укрепить и эту связь, нужна еще одна тройка - комплементарная. Получится шестерка, которую будут помогать водородные связи между комплементарными нуклеотидами. Такая конструкция продержится дольше, чем нестабильная тройка, и даст момент и вероятность связать динуклеотид с третьим нуклеотидом ковалентной связью. Позже тройки разойдутся, и они уже будут стабильными. Эти тройки Альтштейн позже назвал прогенами. По его мнению, прогены решали многие задачи, которые оставались под вопросом в гипотезе РНК-мира. Во-первых , отбор веществ. У Альтштейна он начинает делать сразу: в комплементарную шестерку могут зайти только "правильные" вещества (нуклеотиды и аминокислоты), которые потом будут применяться для возникновения и воспроизведения первой генетической системы. В тройки и после этого в ген отбираются не рибонуклеотиды (из которых получается РНК), а дезоксирибонуклеотиды (из которых получается ДНК), в силу того что что химически рибонуклеотиды не подошли бы для такой конструкции. И никакого одновременного синтеза гена и белка не получилось бы. Во-вторых , структура прогена решает проблему генетического кода - триплет нуклеотидов соответствует "неслучайной" аминокислоте.

И в-третьих , когда прогены начнут мыслить в цепочку (подробнее см. , будет шагать одновременная сборка полинуклеотида - будущего гена и полипептида - белка-фермента. Когда сборка завершится, этот белковый фермент будет процессивным в различие от рибозима. Он останется на гене и будет вслед за тем участвовать в синтезе комплементарных цепочек и одновременно белков. Так появится первая генетическая система.

Когда Каверин прочитал доля статьи, написанную Альтштейном, он заметил: "Ну ты даешь! Нас всего лишь просили о происхождении вируса подумать, а ты пытаешься найти решение проблему происхождения жизни!" Меклеру мысль тоже понравилась, и статья была напечатана.

Заводская штамповка

На несколько лет Анатолию Давидовичу пришлось бросить свою гипотезу, хотя некоторые вопросы в ней оставались не до конца "докрученными". Дочка Альтштейна стала заниматься изучением иврит. Комитет госбезопасности же хотел вытрясти из нее "имена, адреса и явки". Альтштейн вступился, в результате чего его уволили из Института вирусологии по сокращению штатов. Сказали, что онковирусы, которыми он в основном занимался, больше не интересны. Были протесты, хождения по инстанциям, письма. Бюрократия работала вхолостую. Но Альтштейн сегодня с теплом вспоминает, как за него с риском для себя вступились многие ученые. Президенту Академии наук Анатолию Александрову и его заму Юрию Овчинникову удалось пристроить Альтштейна в Институт общей генетики. Поначалу он работал там на птичьих правах, потом, когда Овчинников как член ЦК совсем отбил его от гэбэшников, - с группой, перешедшей из Института вирусологии.

К гипотезе он вернулся в 1987 году, когда академик Александр Спирин, кроме того увлеченный проблемами происхождения жизни, но придерживающийся гипотезы РНК-мира , ставшей в ту пору уже главной, пригласил его на семинар в наш институт в Пущино. Потом доклада специалисты по стереохимическому анализу предложили Альтштейну испытать на моделях, могли ли быть его умозрительные конструкции в природе. Мол, буковки-то на доске ладно писать, а ты попробуй трехмерные структуры поскладывать. В этом ему помогал завлабораторией Валерий Лим. Для начала он сам покрутил модели и сказал: я думал сию минуту развенчать, но нет, может, и получится, давайте сами поскладывайте, а следом вкупе посмотрим. "Я складывал, крутил, вертел: есть множество комбинаций этих моделей, но что-то погано клеилось, - рассказывает Альтштейн. - Возбужденный, я ушел домой, и вы будете хохотать - мне еще раз приснился сон: в первую очередь выплыл круглый алый атом кислорода - как в пластиковой модели, а потом к нему подплыла аминокислота. Чуть дождался утра, сидел под воротами, пока открыли институт и лабораторию, и кинулся к моделям - все получалось. Пришел Лим, глянул и ответил: ну, так-то лучше будет, продолжайте".

Альтштейн оттачивал свою гипотезу, вечно консультируясь с химиками. В итоге он сформулировал идею прогенов, из которых получается первая генетическая организация - ген и фермент, она же - первостепеннный активный организм, названный Альтштейном протовироидом по аналогии с вирусом. "Потому что протовироид на первых порах не имел своего жилища и так же, как вирус, вел прерывистый образ жизни", - объясняет он. Предполагается, что протовироид возникает в пузырьке-липосоме , оттого что именно там и могут при существенной концентрации веществ сформироваться тройки нуклеотидов, соединенные с "неслучайной" аминокислотой (прогены), а из них - ген с ферментом. На этом этапе липосома является не частью первого живого организма, а только условием его существования. Она одним духом разрушается, и протовироид вынужден разыскивать свежеиспеченный гостиничный номер - новую липосому в момент ее возникновения.

Однажды появившись, протовироид будет воспроизводить себя, используя прогены в качестве "пищи". В липосоме будет появляться все больше протовироидов. И все-таки размножение одного гена и одного фермента, нехай даже они и называются первым живым организмом, пока кажется малоперспективным процессом, потому как самые простые современные организмы содержат не меньше 250 генов. "Но потому что на этом формирование не останавливается, - объясняет Альтштейн. - Система будет эволюционировать по Дарвину, возникнет протоклетка". Но дальнейшая эволюция Альтштейна уже не возбуждает. Главное - запуск системы минимального самовоспроизводящегося генома - протовироида. Это было тем гениальным событием природы, вслед за тем которого дальнейшие эволюционные шаги - без малого заводская штамповка.