Полиэлектролитная теория гена предполагает, что для того, чтобы линейный генетический биополимер, растворенный в воде, такой как ДНК , подвергся дарвиновской эволюции в любой точке Вселенной, он должен быть полиэлектролитом , полимером, содержащим повторяющиеся ионные заряды. [1] Эти заряды поддерживают однородные физические свойства, необходимые для дарвиновской эволюции, независимо от информации, закодированной в генетическом биополимере. [1] [2] [3] ДНК является такой молекулой. Независимо от ее последовательности нуклеиновой кислоты , отрицательные заряды на ее остове доминируют над физическими взаимодействиями молекулы в такой степени, что она поддерживает однородные физические свойства, такие как ее растворимость в воде и структура двойной спирали . [1]
Полиэлектролитная теория гена была предложена Стивеном А. Беннером и Дэниелом Хаттером в 2002 году [2] и в значительной степени осталась теоретической основой, которую астробиологи использовали для размышлений о том, как жизнь может быть обнаружена за пределами Земли. Эта идея была позже связана Беннером [3] [1] с представлением Эрвина Шредингера о гене как о « апериодическом кристалле » [4], чтобы создать надежную, универсально обобщенную концепцию генетического биополимера — биополимера, действующего как единица наследования в дарвиновской эволюции.
Беннер и другие, которые основывались на его работе [5], предложили методы концентрации и идентификации генетических биополимеров на других планетах и лунах в пределах Солнечной системы с помощью электрофореза , который использует электрическое поле для концентрации заряженных соединений. [1] [2] [3]
Хотя мало кто проверял полиэлектролитную теорию гена, в 2019 году лабораторные эксперименты поставили под сомнение универсальность этой идеи. Эта работа смогла создать неэлектролитные полимеры, способные к ограниченной дарвиновской эволюции, но только до длины 72 нуклеотидов. [6] [7]
Полиэлектролит — это полимер с повторяющимися электростатически заряженными единицами. В контексте полиэлектролитной теории гена этот полиэлектролит является биополимером — полимером, полученным из живой системы — с повторяющейся ионно заряженной единицей, подобной генетическому биополимеру в современной биологии, ДНК. Хотя РНК не действует как генетический биополимерный архив в современной биологии — за исключением случая некоторых вирусов, таких как коронавирус [8] и ВИЧ [9] — гипотеза мира РНК предполагает, что РНК могла предшествовать ДНК как первый генетический биополимер жизни. [10] Нуклеотидные строительные блоки, из которых состоят ДНК и РНК, связаны отрицательно заряженными фосфатными группами. Эти фосфодиэфирные связи создают повторяющиеся отрицательные заряды на остове молекулы, которые придают ДНК и РНК их полиэлектролитную природу. [11]
Чтобы участвовать в дарвиновской эволюции, которую можно описать как « происхождение с модификацией », [12] единица наследования должна быть способна к несовершенной репликации, чтобы время от времени производить новую модифицированную единицу наследования, которая все еще должна быть способна к репликации. Эта несовершенная репликация приводит к вариации, на которую может действовать дарвиновская эволюция. [13]
Полиэлектролитная теория гена пытается понять современную биологическую единицу наследования, ДНК, на обобщающем уровне. В 2002 году Стивен А. Беннер и Дэниел Хаттер определили повторяющиеся заряды в фосфодиэфирных связях ДНК как критически важные для ее функции как генетического биополимера. Они предложили с полиэлектролитной теорией гена, что повторяющиеся ионные заряды — положительные или отрицательные — являются общим требованием для всех растворенных в воде генетических биополимеров, чтобы пройти дарвиновскую эволюцию где-либо в космосе. [2]
Эта концепция работает в тандеме с представлением о гене как об «апериодическом кристалле», предложенном Эрвином Шрёдингером в его книге 1944 года « Что такое жизнь? ». [4] Апериодический кристалл, как его описывает Шредингер, имеет дискретный набор молекулярных строительных блоков в неповторяющемся расположении. ДНК — это апериодический кристалл, состоящий из дискретных азотистых оснований ( A , T , C и G ), которые расположены на основе информации, которую они кодируют, а не в каком-либо повторяющемся формате. Хотя эта идея «апериодического кристалла» изначально не была связана с полиэлектролитной теорией гена, Беннер в более поздних работах связал их. [3] [1]
В биохимии структура биомолекулы диктует ее функцию, и поэтому изменения в структуре вызывают изменения в функции. [14] Чтобы работать как единица наследования, генетический биополимер должен сохранять форму и, следовательно, физическую и химическую последовательность, независимо от информации, которую кодирует структура. ДНК является такой молекулой. Независимо от того, какова последовательность нуклеиновой кислоты, ДНК сохраняет постоянную структуру двойной спирали и, следовательно, постоянные физические свойства, которые позволяют ей оставаться растворенной в воде и реплицироваться клеточными механизмами. Полиэлектролитная теория гена утверждает, что ДНК может сохранять свою форму независимо от мутаций, потому что отрицательные заряды на фосфатном остове доминируют над физическими взаимодействиями молекулы до такой степени, что изменения в последовательности нуклеиновой кислоты, закодированной информации, не влияют на общее физическое поведение молекулы. [2]
Например, нуклеотиды тимидина (T) хорошо растворимы в воде, тогда как нуклеотиды гуанозина (G) менее растворимы; однако олигонуклеотид — короткая полинуклеотидная последовательность, — состоящая только из тимина, и олигонуклеотид, состоящий только из гуанина, имеют одинаковую общую структуру и физические свойства. [15] Если изменения в последовательности нуклеиновой кислоты , которая кодирует генетическую информацию, изменяют физические свойства ДНК, эти изменения могут нарушить механизм репликации ДНК .
Такая физическая однородность встречается в природе очень редко. Возьмем другой биополимер, например, белки . Последовательность нуклеиновых кислот в ДНК кодирует последовательность аминокислот , из которых состоят белки. Изменение даже одной аминокислоты в первичной последовательности белка может полностью изменить физические свойства этого белка. Например, признак серповидноклеточной анемии вызывается одной мутацией аденина в тимин в гене гемоглобина , вызывая переключение с глутаминовой кислоты на валин . [16] Это полностью меняет трехмерную структуру гемоглобина и, таким образом, изменяет физические свойства белка, которые приводят к признаку серповидноклеточной анемии.
Белки чувствительны к изменениям в аминокислотной последовательности, поскольку 20 различных боковых цепей аминокислот образуют связи и частичные связи друг с другом. [17] Кроме того, белковый остов имеет дипольный момент — имеющий частично положительные и частично отрицательные стороны — который может дополнительно создавать взаимодействия внутри молекулы. Эти взаимодействия боковой цепи и остова чувствительны к изменениям в окружающей среде и аминокислотной последовательности. Маловероятно, что белок может действовать как генетическая биомолекула, поскольку изменения в аминокислотной последовательности приводят к изменениям в общей физической структуре и свойствах. [2]
Другой неэлектролитный биополимер будет испытывать те же проблемы, что и белок, когда будет действовать как генетическая биомолекула. Изменения физических свойств с изменениями в закодированной информации будут означать, что такая молекула будет бороться за репликацию с определенными последовательностями закодированной информации, поскольку эти последовательности приведут к физическим свойствам, несовместимым с репликацией. Эта проблема означает, что гипотетический ген белка не сможет исследовать все возможные генетические последовательности, поскольку определенные последовательности приведут к тому, что молекула не сможет реплицироваться на основе физической структуры ее гена, а не на пригодности того , что кодирует ген. [2]
Беннер и Хаттер изначально описали это свойство ДНК как «способность выживать при изменениях в конституции без потери свойств, необходимых для репликации» или аббревиатуру COSMIC-LOPER. Эта аббревиатура дает ученым краткий способ описания сложной идеи генетического биополимера, имеющего физическую однородность независимо от закодированной информации, которая позволяет ему реплицироваться. [2]
Хотя РНК часто описывается как генетический биополимер из-за ее теоретической роли как первой единицы наследования жизни (РНК-мир), она не является полностью КОСМИЧЕСКОЙ. РНК, особенно последовательности с высоким содержанием гуанина (G), способны к сворачиванию и выполнению химии ферментного типа . [2] [18] Сворачивание в богатых гуанином последовательностях РНК предотвращает способность РНК к матрицированию и, таким образом, ее способность реплицироваться в сценарии РНК-мира, по той же причине, по которой было бы трудно реплицировать ген на основе белка. [2]
Повторяющиеся отрицательные заряды увеличивают растворимость ДНК и РНК в воде. Поскольку ионные заряды хорошо растворимы в воде, наличие их на остове молекулы увеличивает растворимость молекулы. [19] Если бы остов гипотетического генетического биополимера был связан неионным образом, растворимость всей молекулы снизилась бы. [20] Растворимость важна, поскольку для того, чтобы реплицироваться, ДНК — или любая другая генетическая биомолекула — должна быть растворимой, чтобы взаимодействовать с репликативным аппаратом. [11]
Повторяющиеся отрицательные заряды остова ДНК электростатически отталкивают друг друга, предотвращая взаимодействия как внутри, так и между цепями ДНК. Это отталкивание способствует специфическим взаимодействиям вдоль «края» Уотсона-Крика нуклеиновых оснований, способствуя специфичности спаривания оснований Уотсона-Крика — A спаривается с T, а C спаривается с G. [2]
Повторяющиеся отрицательные заряды на остове удерживают ДНК и многие молекулы РНК от сворачивания и позволяют им действовать как шаблоны. В воде молекулы принимают конформацию , которая является наиболее энергетически выгодной , с самой низкой свободной энергией Гиббса . [11] Эта конфигурация максимизирует благоприятные взаимодействия ( водородные связи , взаимодействия положительного и отрицательного зарядов, взаимодействия Ван-дер-Ваальса ) и минимизирует неблагоприятные взаимодействия (то есть гидрофильно-гидрофобные взаимодействия и взаимодействия с одинаковыми зарядами). В случае двухцепочечной ДНК и РНК наиболее энергетически выгодной формой является линейная конфигурация двойной спирали, поскольку она максимизирует взаимодействия между парами оснований и между отрицательно заряженным остовом и окружающими молекулами воды, одновременно минимизируя взаимодействия между отрицательно заряженными фосфодиэфирными связями остова. [11] Если бы двухцепочечная молекула ДНК или РНК сворачивалась, она бы обменяла благоприятные взаимодействия вода-остов на неблагоприятные взаимодействия остов-остов. Биополимер без ионно заряженного остова, как белки, не будет производить неблагоприятное взаимодействие остов-остов во время сворачивания и, таким образом, будет легко сворачиваться и агрегироваться . Эта присущая тенденция к линейности улучшает способность ДНК выступать в качестве шаблона для репликации [2] , поскольку свернутые и агрегированные конформации недоступны для репликационного аппарата.
Лабораторные эксперименты, проведенные с неэлектролитными аналогами ДНК и РНК, изначально вдохновили Беннера и Хаттона на публикацию о полиэлектролитной теории гена. [3] В конце 80-х и 90-х годов ученые разработали синтетические ДНК-подобные молекулы для связывания и подавления нежелательных продуктов генов мРНК в качестве способа лечения заболеваний. [2] [21] В рамках этого поискового исследования исследователи разработали ряд неэлектролитных аналогов РНК и ДНК, которые могли бы пересекать клеточную мембрану , чего ДНК и РНК сделать не способны из-за своих заряженных остовов. Один из этих аналогов заменил сульфон (SO₂) на естественную фосфодиэфирную (PO₂⁻) связь. В то время как первоначальные эксперименты показали, что аналог сульфона имеет очень похожие свойства с ДНК в виде димера — двух нуклеотидов, связанных вместе — при синтезе более длинных аналогов сульфона они складывались, теряли специфичность пар оснований Уотсона-Крика и имели резкие изменения физических свойств из-за небольших изменений в последовательности нуклеиновой кислоты. [2] Снижение качества признаков, которые делают ДНК хорошей генетической молекулой, было отмечено для всех неионных линкеров, которые были протестированы по состоянию на 2002 год. [2]
Ближайшим неэлектролитным аналогом для поддержания качеств ДНК был полиамид -связанный аналог нуклеиновой кислоты (PNA), который заменил фосфодиэфирную связь ДНК на незаряженную связь N-(2-аминоэтил)глицина. Даже Беннер и Хаттер сомневались, может ли PNA опровергнуть их полиэлектролитную гипотезу; однако, хотя PNA сохранял качества ДНК до длины 20 нуклеотидов, за пределами этой длины молекулы начинали терять специфичность пар оснований Уотсона-Крика, агрегировались и становились чувствительными к изменениям в последовательности нуклеиновой кислоты. [2]
В 2019 году группа под руководством Филиппа Холлигера в Кембридже, Англия, разработала неэлектролитные аналоги ДНК P-алкилфосфонатных нуклеиновых кислот (phNA), которые были способны подвергаться шаблонному синтезу и направленной эволюции . [22] Аналоги phNA заменяли заряженный кислород на фосфатном остове ДНК на незаряженную метильную или этильную группу . В то время как было показано, что другие аналоги ДНК подвергаются шаблонному синтезу и направленной эволюции, это открытие стало первым случаем, когда было показано, что неэлектролитный аналог ДНК обладает этими свойствами, и первым случаем, когда полиэлектролитная теория гена была экспериментально подвергнута сомнению. [23] Однако шаблонный синтез phNA был выполнен только до длины 72 нуклеотидов. [22] Это примерно соответствует длине самого короткого встречающегося в природе гена, тРНК, [24], но примерно на порядок короче генома самого маленького свободноживущего организма. [25] Для справки, длина генома человека составляет 3,05×10⁹ пар оснований. [26]
С момента своего возникновения полиэлектролитная теория гена была помещена в контекст поиска жизни во Вселенной. Эта теория, в сочетании с представлением Шредингера о гене как об апериодическом кристалле, обеспечивает так называемую «агностическую биосигнатуру » [1] , признак жизни, который не предполагает никакой биохимии. [27] Другими словами, обобщенный взгляд на жизнь должен иметь место в любой точке Вселенной. [1]
Поскольку теоретические генетические полиэлектролитные биомолекулы могут быть заряжены как положительно, так и отрицательно, как в случае ДНК и РНК, их можно концентрировать в воде с помощью электрического поля с помощью электрофореза или электродиализа . Это гипотетическое устройство для концентрации было названо агностическим устройством для поиска жизни. [1] Подобно тому, как электрофорез работает для разделения молекул ДНК, отрицательно заряженные молекулы, такие как ДНК или РНК, будут притягиваться к положительно заряженному аноду, а положительно заряженные генетические биомолекулы будут притягиваться к отрицательно заряженному катоду. [15]
После того, как полиэлектролитная биомолекула сконцентрирована, Беннер предлагает проверить молекулы на однородность размера и формы. Кроме того, молекулы следует проверить на использование ограниченного числа строительных блоков, расположенных в неповторяющейся манере, апериодической кристаллической структуры. [1] Беннер предположил, что это можно сделать с помощью матрично-ассистированной лазерной десорбционной ионизации (MALDI) в паре с масс-спектрометром высокого разрешения Orbitrap . [28] Другой предложенный подход заключается в использовании технологии секвенирования нанопор , хотя остаются вопросы о том, повлияет ли солнечное излучение, испытываемое во время транзита и на месте, на функциональность устройства. [5] Хотя космические агентства еще не использовали ни одну из этих предложенных систем для обнаружения жизни, они могут быть использованы в будущем на Марсе, [28] Энцеладе, [1] и Европе. [5]
Несмотря на то, что полиэлектролитная теория гена и апериодический кристаллический взгляд на ген описываются как агностические биосигнатуры, эти теории являются терра- или земной жизнью, центрированными. Неизвестно, какой может быть жизнь в другом мире; хотя часто утверждается, что жизнь любого вида нуждается в биомолекулах и воде, это может быть не так. [19]