Предположили, что это ГТФ (гуанозинтрифосфат), который потребляется рибосомой подобно тому, как АТФ (аденозинтрифосфат) — при мышечном сокращении. Однако оказалось, что рибосома работает и без ГТФ, только медленнее.
Единственный доступный источник энергии — тепловое (броуновское) движение молекул растворителя, главным образом воды, бомбардирующих рибосому. Более того, выяснилось, что суммарная мощность, получаемая рибосомой от этих ударов, в миллиарды раз превышает то, что поступает от ГТФ. Но такие удары хаотичны, только часть их полезна. Значит, нужен какой-то Фейнмановский "храповик", "фильтрующий" удары и обеспечивающий движение рибосомы по матричной РНК в определенном направлении.
Спирин показал, что таким храповиком выступает сам синтез полипептида. Это необратимый однонаправленный процесс. Можно сравнить его с регулировщиком на перекрестке.
В принципе, эту проблему можно решить иным способом. Например, в известном процессе ПЦР (полимеразной цепной реакции. — Прим. ред.), широко используемом, в частности, для диагностики инфекций, помогают периодические изменения температуры. При относительно низкой (50-60 градусов) копируются цепи ДНК, а при высокой (около 100 ) — расплетаются образующиеся двутяжные молекулы, что гарантирует продолжение процесса синтеза ДНК в следующем цикле.
Вероятно, на космическом теле, где зарождался мир РНК, были необходимые суточные колебания температуры, а само это тело представляло собой аналог гигантской ПЦР-машины. Однако работала такая машина очень медленно — один цикл в сутки. Дальнейшая эволюция требовала ускорения, и понадобились молекулярные машины.
Первой могла стать молекула РНК, способная катализировать сборку цепи, которая комплементарна матрице, — прообраз современной РНК-полимеразы. Пока первичная РНК-полимераза имела малый размер, ей приходилось ждать, чтобы наступил день и синтезированные ею двутяжные РНК расплелись.
Здесь необходимо отметить, что двутяжная молекула ДНК или РНК расплетается при повышении температуры благодаря увеличению суммарной мощности ударов по ней молекул растворителя. Этого можно достичь не только повышая температуру, но и увеличивая размер мишени.
По мере увеличения размера в результате эволюции РНК-полимераза стала превращаться в молекулярную машину, способную ловить броуновское движение, как парус ловит ветер, и расплетать связанную с ней двутяжную РНК. Постепенно расплетание происходило при все более низкой температуре, и наконец весь процесс репликации РНК оказался возможным при постоянной температуре. Храповиком в данной ситуации служил необратимый синтез комплементарной цепи.
— Это же очень сложные процессы.
— Сложные, но Спирин исходил из того, что жизнь существует, значит, как-то возникла. Все это заняло огромный промежуток времени. Для развития необходимо, чтобы сохранялись и размножались молекулы с полезными свойствами. То есть происходила эволюция.
Дарвин полагал, что жизнь зародилась в теплом маленьком пруду. Однако в нем не было бы отбора лучших молекул РНК. Если бы, например, в пруду возникла РНК-полимераза, она реплицировала бы не только лучшие молекулы РНК с полезными для популяции свойствами, но и бесполезные, которых гораздо больше.
«
"В теплом маленьком пруду, содержащем наборы аммонийных и фосфорных солей, при наличии света, тепла, электричества и тому подобного, можно представить себе химическое образование белкового компонента, который бы далее подвергался еще большему усложнению". (Чарльз Дарвин, "Начала", 1871 год)
— То есть нужна протоклетка?
— Да, компартментализация, то есть обособление ансамблей молекул. Чтобы преимущественно размножались ансамбли тех молекул, чьи свойства лучше дополняют друг друга. Первым эту идею высказал советский биохимик, академик Александр Иванович Опарин. Он считал, что первичная компартментализация осуществлялась в белковых сгустках — коацерватных каплях. Получал их экспериментально. Но в РНК-мире белков еще не было и коацерваты сформироваться не могли. Американец Джек Шостак, впоследствии нобелевский лауреат, предположил, что обособление происходило в липосомах — капельках, окруженных липидной мембраной. Но в РНК-мире липидов тоже не было. Кроме того, липидная мембрана непроницаема для растворимых веществ, в том числе нуклеотидов, из которых строятся молекулы РНК. В современной клетке этот барьер преодолевается за счет особых белков, образующих каналы для переноса таких веществ. Но тогда этого механизма не существовало.
Здесь пригодилось еще одно наше открытие — молекулярные колонии. Они возникают так же, как клеточные, когда на агар высевают бактерии. Только мы пропитали агарозу полимеразой (работали с вирусной Qβ-репликазой) и посеяли молекулы РНК. На месте каждой молекулы, застрявшей в матриксе геля, выросла колония точных ее копий. Мы показали, что молекулярные колонии можно использовать для клонирования РНК и ДНК, а также для диагностики. Причем точность диагностики выше, чем при жидкостной ПЦР. Сейчас наш метод используют в технологии секвенирования геномов нового поколения.