Провідний дослідник походження життя Джеральд Джойс нещодавно опублікував в журналі PNAS наукову роботу «РНК-каталізована еволюція каталітичної РНК»,¹ яка начебто демонструє прорив, якого він та його команда досягли в розумінні того, як життя могло зародитися внаслідок природних процесів. Газета Washington Post описує це дослідження в статті під заголовком «"Монументальний" експеримент дає змогу припустити, як могло зародитися життя на Землі».² У ній йдеться:

«Вчені подолали, мабуть, найбільшу перешкоду на шляху до правдоподібності теорії "світу РНК". Досі жодній молекулі РНК не вдавалося створити в лабораторії достатньо точні та функціональні копії іншої РНК».

На жаль, вихваляння досліджень Джойса в цій і подібних публікаціях – чистий хайп. Результати Джойса лише ще більше доводять абсолютну необхідність участі розумної істоти в зародженні життя.

Гіпотеза про світ РНК

Багато дослідників походження керуються гіпотезою про світ РНК, яку Джойс описує таким чином:

«Спочатку реплікація РНК, ймовірно, відбувалася як неферментативний процес, під час якого РНК-шаблони копіювалися для отримання комплементарних ниток, які, своєю чергою, копіювалися для отримання додаткових копій вихідних шаблонів. Варіації послідовностей виникали через недосконалість точності копіювання й ті варіанти, що реплікувалися найефективніше, ставали домінантними в популяції, доки не з'являлися нові варіанти з іще більшою пристосованістю. Припускається, що в якийсь момент на ранньому етапі еволюції РНК набула здатності каталізувати власну реплікацію, діючи як РНК-залежна РНК-полімераза».¹

Основна логіка полягає в тому, що на ранній Землі утворилися нуклеотиди, які потім з'єдналися в довгі ланцюжки, відомі як РНК. Деякі РНК слугували шаблонами, які «копіювалися» (тобто транскрибувалися) іншими РНК, відомими як полімерази, щоб сформувати комплементарні послідовності³ шаблонних РНК. Наприклад, AAUUCCGG транскрибується в UUAAGGCC. Потім комплементарні послідовності транскрибуються назад в нові копії вихідних РНК-шаблонів. З часом деякі РНК набули здатності виконувати біологічно корисні функції; такі каталітичні РНК називаються рибозимами. Зрештою, молекула РНК набула здатності точно копіювати саму себе.

Експеримент Джойса

Команда Джойса та інші дослідники спробували відновити цей сценарій експериментально. Бартел і Шостак (1993)⁴ створили великий набір випадкових послідовностей РНК, а потім виокремили РНК-лігази – РНК, що з'єднують дві молекули РНК. Джойс та інші дослідники почали з РНК-лігази й застосували 52 раунди «спрямованої еволюції», щоб створити РНК, здатні копіювати інші РНК (тобто полімерази).⁵ Більшість раундів містили в собі генерацію трильйонів варіантів із випадково зміненими нуклеотидами, а потім добір РНК, яка найточніше й найшвидше транскрибувала РНК-шаблони. Деякі раунди включали додавання додаткових нуклеотидів до послідовності.

В останньому дослідженні Джойс та його команда почали з полімерази, що складається з 52 раундів, а потім модифікували її ще на 18 раундів. Нова полімераза могла транскрибувати рибозим типу hammerhead та його доповнення з точністю близько 90 відсотків. Рибозими типу hammerhead розбивають молекулу РНК на два фрагменти. Дослідники використовували полімеразу для створення копій рибозиму hammerhead, а потім виділили та відтворили ті копії, які функціонували. Рибозими залишалися функціональними після кількох поколінь копіювання, тому дослідники стверджували, що продемонстрували, що система РНК може зберігатися під час дарвінівської еволюції.

Втручання дослідника

В статті Washington Post стверджується:

Хоча експерименти, описані в новій статті, зайняли два роки, Джойсу та його колегам знадобилося близько 10 років, щоб підготувати ґрунт для експерименту, терпляче вирощуючи покоління за поколінням молекул РНК. Якщо вченим вдасться створити РНК, здатну копіювати саму себе, еволюція зможе розвиватися в основному сама по собі.

Правда знову ж таки прямо протилежна тому, що стверджується.

Створення нової полімерази вимагало втручання дослідників на кожному кроці:

1. Дослідники почали з високих концентрацій надчистих нуклеозидтрифосфатів (тобто активованих нуклеотидів). Професор хімії Університету Райса Джеймс Тур докладно описав неправдоподібність походження нуклеотидів на ранній Землі навіть в мізерній долі концентрації та чистоти, необхідних для створення довгої РНК.^{6 7}

2. Дослідники генерували полімерази на кожному етапі, з'єднуючи нуклеотиди за допомогою механізмів сучасних клітин. Довжина останньої полімерази становить 182 нуклеотиди. Однак РНК, що складається навіть із кількох десятків нуклеотидів, не могла виникнути на ранній Землі, оскільки нуклеотиди найімовірніше зв'язувалися з іншими молекулами, а не один з одним.^{8 9}

3. Команда Джойса, а не природа, після кожного раунду модифікацій обирала полімерази, які найкраще виконували цільову функцію.

4. Полімерази могли транскрибувати РНК-шаблони тільки за умови додавання праймерів, які запускали процес реплікації. Праймер - це певна послідовність нуклеотидів, яка зв'язується з кінцем РНК-шаблону. Полімераза починає з праймера і продовжує додавати до нього нуклеотиди доти, доки не утвориться комплементарна РНК.

5. Процес реплікації вимагає ретельної організації експериментальних умов, включно з регулюванням температури та додаванням потрібних допоміжних молекул у потрібний час. Усі подібні експерименти вимагають точних протоколів.^{10 11}

6. Кожен раунд модифікацій починався з полімераз і праймерів у концентраціях, що відповідали десяткам трильйонів РНК на мілілітр води. Якщо концентрація падала нижче мільйона РНК на мілілітр, швидкість розпаду РНК значно перевищувала швидкість копіювання РНК. Усі полімерази зруйнувалися б задовго до того, як була б скопійована хоча б крихітна частина шаблонів.

В розвиток останнього пункту з експериментальної процедури¹ Джойса прямо випливає верхня межа концентраційного порога для підтримки реплікації РНК. Середній час, необхідний полімеразам для реплікації шаблону, становив понад годину, а період напіврозпаду зв'язків, що з'єднують нуклеотиди в РНК, становить близько декількох років.¹² Оскільки довжина полімераз перевищує 100 нуклеотидів, майже всі вони зруйнуються протягом декількох місяців. Швидкість копіювання лінійно залежить від концентрації полімераз, тому початкова концентрація не може опуститися нижче мільярда полімераз на мілілітр, перш ніж швидкість реплікації впаде нижче швидкості деградації. Мільйон РНК на мілілітр сильно занижує поріг, але ймовірність того, що в одному мілілітрі води в будь-який момент історії Землі може перебувати навіть дюжина полімераз, вкрай мала.

Підбиваючи підсумок, можна сказати, що полімерази могли з'явитися на ранній Землі тільки в тому разі, якщо команду Джойса та його лабораторію було перенесено в минуле й вони керували всім процесом. Те ж саме справедливо для всіх теорій про те, як могло виникнути життя.

Смертельний удар по світу РНК

Як не дивно, навіть якщо не брати до уваги всі ці проблеми, експеримент Джойса все одно не підтверджує правдоподібність гіпотези про світ РНК. Навпаки, він повністю дискредитує її. Ймовірність утворення РНК певної довжини зменшується експоненціально зі збільшенням довжини. Рибозим типу hammerhead складається лише з 34 нуклеотидів, в той час як рибозими полімерази значно довші за 100 нуклеотидів. Загалом, рибозими, що руйнують РНК, можуть бути набагато меншими за рибозими, що копіюють РНК, тож ймовірність їхньої появи в будь-якому процесі генерації РНК є набагато вищою.

Окрім того, нова полімераза Джойса транскрибує РНК з точністю приблизно 90 відсотків на нуклеотид. Джойс продемонстрував, що такої точності достатньо для підтримки кількох поколінь функціональних рибозимів типу hammerhead. Але для підтримки функціональних полімераз потрібна точність понад 97 відсотків. Цей результат ще раз доводить, що деструктивну РНК набагато легше створити, ніж полімерази. Провідний фахівець із походження Стівен Беннер називає цю проблему парадоксом ймовірності.¹³ Будь-яка випадкова бібліотека РНК включатиме набагато більше деструктивних РНК, ніж полімераз. Отже, навіть якби чудесним чином з'явилася система РНК, що реплікується, полімерази швидко б зникли, а всі РНК розпалися б на простіші молекули.

Якби автор Washington Post повністю розумів суть дослідження Джойса, він би виклав його приблизно так:

«Останнє дослідження Джеральда Джойса остаточно спростовує гіпотезу про світ РНК. Воно показує, що для виникнення РНК, здатної копіювати інші РНК, необхідно створити умови, які ніколи не могли виникнути на ранній Землі й провести ретельно сплановані експериментальні процедури, що не мають аналогів в природі. Його команді довелося задіяти молекулярний механізм сучасних клітин, щоб постійно створювати нові РНК, а також відбирати й копіювати ті РНК, які виконували цільові функції. Навіть після десяти років ретельної роботи над створенням РНК, здатної копіювати інші РНК, ця РНК могла ефективно копіювати тільки ті РНК, які розщеплювали інші РНК. Вона не могла копіювати себе з достатньою точністю, щоб функціональні копії зберігалися протягом більш ніж кількох поколінь. Результати Джойса показують, що ніяких еволюціонуючих систем РНК ніколи не могло існувати. Провідний дослідник походження Лі Кронін, найімовірніше, назвав би "шахрайством" будь-які заяви про те, що подібні дослідження можуть допомогти пояснити походження життя».