Ученые предложили новую теорию происхождения генетического кода

© iStock

Научный консультант Международной лаборатории биоинформатики Института искусственного интеллекта и цифровых наук НИУ ВШЭ Алан Герберт предложил новое объяснение одной из нерешенных загадок биологии — происхождения генетического кода. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Biology Letters, современный генетический код мог возникнуть благодаря самоорганизующимся молекулярным комплексам — тинкерам. Новую гипотезу автор выдвинул на основе анализа вторичных структур ДНК с помощью нейросети AlphaFold3.

Генетический код — это «алфавит», лежащий в основе функционирования любой живой системы на Земле. Он определяет, что записано в «инструкции» к организму и как ее следует читать. Современный генетический код состоит из кодонов, в каждом из которых по три нуклеотида. Эти триплеты кодируют аминокислоты, которые потом участвуют в синтезе белков. Ученые изучают генетический код уже более 70 лет, однако один из важнейших вопросов — как именно он возник — так и не получил однозначного ответа.

Научный консультант Международной лаборатории биоинформатики Института искусственного интеллекта и цифровых наук НИУ ВШЭ профессор Алан Герберт предложил новое объяснение происхождения кода. По его мнению, в ходе эволюции ключевую роль в формировании современного генетического кода играли флипоны — особые участки ДНК, способные образовывать вторичные структуры.

Классическая молекула ДНК, описанная в свое время Френсисом Криком и Джеймсом  Уотсоном, представляет собой двойную спираль, закрученную вправо. Но ученые обнаружили, что существуют и альтернативные структуры ДНК: Z-ДНК, закрученная влево; трехцепочечные и четырехцепочечные последовательности; а также ДНК с крестообразной структурой — i-мотивы. Эти необычные структуры возникают при определенных физиологических условиях, а их тип зависит от набора и порядка нуклеотидов в самом флипоне. Простейшие флипоны образуются из простых нуклеотидных повторов, поэтому предполагается, что их было достаточно в так называемом первичном бульоне.

Мария Попцова

С помощью нейросети AlphaFold3 от DeepMind Алан Герберт проанализировал характер связей между флипонами и аминокислотами. «Оказалось, что флипоны, образованные из двухбуквенных повторов, очень хорошо связываются с простенькими пептидами, состоящими из двухбуквенных аминокислотных повторов. И именно такое соответствие присутствует в современном генетическом коде», — комментирует Мария Попцова, заведующая Международной лабораторией биоинформатики НИУ ВШЭ.

Например, цитозин-гуаниновый повтор CGCGCG образует Z-ДНК. С такой последовательностью очень хорошо связывается пептид с аргинин-аланиновым повтором RARARA. В современном коде аргинину соответствует кодон CGC, а аланину — GCG. Если подробно рассмотреть структуру пространственных взаимодействий, то самая лучшая связь получается именно из непересекающихся триплетов: CGCGCG связывается с RA.

В публикации Алан Герберт рассматривает десятки примеров взаимодействия флипонов из коротких повторов с пептидами из аминокислотных повторов. Выяснилось, что при этом также могут происходить реакции, приводящие к взаимному удлинению цепей, особенно в присутствии магния и цинка. Эти металлы служат катализаторами таких реакций.

По мнению автора исследования, подобные комплексы когда-то сформировались благодаря особым компонентам — тинкерам, так называемым мастеровым природы, как их назвал Франсуа Жакоб. В работе профессора Герберта такими самовоспроизводящимися мастеровыми служат структуры, состоящие из флипонов и пептидов. Тинкеры использовали ДНК как матрицу для синтеза белков, а белки, в свою очередь, способствовали удлинению спирали ДНК. В итоге возник триплетный неперекрывающийся код: нечетное количество оснований позволяет кодировать последовательности из разных аминокислот, а характер связей между флипонами и аминокислотами требует, чтобы каждый кодон соответствовал только одной аминокислоте.

«Роль флипонов как тинкеров в первоначальной биологической эволюции — это кардинально новый взгляд на происхождение жизни. Без преувеличения можно сказать, что, если теория подтвердится экспериментально, наш коллега доктор Герберт заслуживает Нобелевской премии, — считает Мария Попцова. — Открытие взаимодействий флипонов с аминокислотами в соответствии с таблицей современного генетического кода доказывает, что возникновение генетического кода — не случайность, а естественный результат эволюции. Природа ничего не изобретает с нуля, она придумывает новые механизмы из того, что доступно. Природа действует как нерадивый мастеровой, который, когда надо быстро сделать что-то работающее, необязательно надежное и прочное, хватает то, что подвернется под руку. Именно это свойство и стоит за понятием “тинкер”».

Алан Герберт

«В целом предлагаемая схема не требует ДНК, РНК или пептидного мира для объяснения происхождения жизни, — пишет Алан Герберт в своей статье. — Вместо этого описанные тинкеры являются агентами, которые способствуют этой возможности. Они возникают из простого соответствия между низкосложными нуклеотидами и простыми пептидными полимерами, используя металлы для катализа их первоначальной репликации. Снабжая пребиотический суп копиями самих себя, эти тинкеры вполне естественно развили неперекрывающийся, триплетный генетический код».

Помимо понимания происхождения жизни, изучение тинкеров может привести к созданию новых технологий, включая искусственные самоорганизующиеся системы и самовосстанавливающиеся материалы. Способность тинкеров объединять различные химические элементы может быть использована для направленной эволюции новых биомолекул.