§ 1. Первичный гиперцикл

Простейший гиперцикл должен содержать один полинуклеотид, способный к комплементарной авторепродукции, и один белок, способствующий этому (т. е. обладающий репликазной активностью). При этом полинуклеотид должен катализировать синтез белка-репликазы.

Вопрос о том, каков механизм ускорения репликации, трудности не представляет. Такие белки известны и изучены; можно думать, что и в первичном гиперцикле механизм в принципе был тем же. Напротив, вопрос о том, каким образом полинуклеотид катализирует белок с репликазной активностью, является наиболее острым и относится к основной проблеме. В современной биосфере подобный «катализ» осуществляется с помощью кода и всего аппарата трансляции. Вероятность случайного возникновения этого аппарата абсурдно мала Поэтому необходимо представить процесс синтеза белка-репликазы, протекающий без участия аппарата трансляции и осуществляющийся с достаточно большой вероятностью. Принципиальную возможность подобного процесса, а также его информационные аспекты мы обсудим в гл. 12. В этом параграфе мы рассмотрим возможные конкретные физико-химические процессы, приводящие к синтезу белка-репликазы на полинуклеотиде, а также образованию первичного аппарата трансляции. Существует два различных подхода к решению поставленной задачи.

I. В первом подходе предполагается, что белок-репликазу мог синтезировать на себе любой полинуклеотид. Последовательность нуклеотидов при этом не играла роли, т. е. первичный синтез белка не был информационным и не нуждался в аппарате трансляции, который возник позже. Сама информация возникла еще позже в результате взаимодействия гиперциклов.

Обсудим возможную реализацию этой цепи процессов, следуя

Первый этап — синтез белка-репликазы.

Допустим, что полипептиды образуются из аминокислот (в присутствии конденсирующего агента, например полифосфата) на биспиральных молекулах полинуклеотидов как на поверхности гетерогенного катализатора. Третичная структура образующихся полипептидов должна быть комплементарна к биспирали, т. е. такие белки должны иметь форму «чехла». Напомним, что третичная структура биспиралей имеет стандартную форму и не зависит от последовательности нуклеотидов. На этом этапе белки-чехлы могут выполнять различные функции. Во-первых, они играют защитную роль, предохраняя биспираль ДНК от гидролиза. Во-вторых, и это главное, белки-чехлы могут играть роль фермента-репликазы. Для этого необходимо, чтобы комплементарное соответствиемежду чехлом и ДНК было недостаточно полным. В этом случае молекула-чехол, располагаясь на биспирали, будет иметь механически напряженную структуру и тем самым будет способствовать репликации ДНК. Важную роль при этом играет периодическое изменение внешних условий (например, температуры), обсуждавшееся в работе [6]. Изменение конформации, вызванное изменением условий, способствует расплетанию биспирали и репликации. Возврат к более комплементарной конформации препятствует репликации и тем самым способствует защите комплекса. Отсюда следует, что белки-чехлы могут обладать существенно различной (в том числе и отрицательной) «репликазной активностью». Однако для дальнейшей эволюции достаточно, чтобы некоторые из них функционировали как репликазы. Подчеркнем еще раз, что эта функция белка образовалась не случайно — она вполне закономерно следует из способа его синтеза.

Следующий этап эволюции — образование первичного аппарата трансляции. Простейший аппарат должен содержать набор адаптеров. Адаптером мы называем молекулу, комплементарную одной стороной к участку полинуклеотида (кодону) и другой — к аминокислоте (или блоку аминокислот). В современном аппарате эту роль выполняют белки аминоациладенилатсинтетазы.

В соответствии с принципом эволюционной непрерывности рассмотрим возможный физический механизм образования адаптеров, который, с одной стороны, мог возникнуть лишь на базе предыдущего и, с другой стороны, мог служить основой для последующих стадий развития.

Как уже упоминалось, в первичных гиперциклах существовала неполная комплементарность между полинуклеотидом и белком. Эти пустоты могли заполняться полиморфными веществами, которые, конденсируясь образовывали слепки, комплементарные как к участку биспирали, так и к участку белкового чехла (рис. 2.1). При образовании дочерних полинуклеотидов эти слепки-адаптеры могли участвовать в образовании новых белков-чехлов, транспортируя аминокислоты (или их комплексы) к тому же месту ДНК, что и в материнском гиперцикле; таким образом, синтез белковой оболочки ускорялся, а свойства чехла становились наследуемыми. Появление каждого из адаптеров давало эволюционное преимущество, поэтому накопление их могло проходить постепенно, возникновение всей системы сразу не было необходимым.

Рис. 2.1. Схема адаптера (2), комплементарного с одной стороны к аминокислоте и с другой — к кодону (3).

На этом этапе эволюции еще нет единого кода для всей биосферы; он возникает на следующем этапе в результате отбора. Первичные адаптеры обеспечивают необходимые и достаточные условия для того, чтобы начал действовать отбор.

Проведя аналогию с лингвистикой, можно сказать, что первичный синтез репликазы и адаптеров подобен образованию иероглифов (которые также являются «слепками» с действительности), в то время как современный аппарат трансляции подобен письменности на основе алфавита и грамматики (см. гл. 12).

II. Иной подход к решению проблемы происхождения механизма трансляции обсуждается в ряде работ последнего времени [10—12], в которых основой теории является гипотеза о прямом физико-химическом соответствии (комплементарности) между тройкой нуклеотидов и аминокислотой, т. е. подразумевается, что код уже существовал и первичный механизм трансляции вобще не содержал адаптеров. Белок-репликаза образовывался на таком полинуклеотиде (ДНК), последовательность кодонов которого соответствовала первичной последовательности репликазы.

Отметим, что даже в таком простейшем варианте вероятность возникновения гиперцикла остается малой, так как в рамках этой гипотезы спонтанно возникший полинуклеотид уже должен был содержать информацию о белке-репликазе ( бит, чему соответствует см. гл. 12). Таким образом, в рамках этой гипотезы остается нерешенной проблема информационной малости,

тогда как в первом подходе не предполагалось наличие предшествующей информации, и поэтому вероятность каждого из этапов достаточно велика (в нашем масштабе порядка единицы).

Вернемся к механизму образования адаптеров и обсудим два важных следствия из него. Характер и набор адаптеров зависят от последовательности нуклеотидов; в каждой популяции гиперциклов возникает свой набор адаптеров, отличный от набора другой популяции. При этом возможно появление обратного вырождения («накладок»), т. е. слепков, комплементарных к одинаковым кодонам, но к разным блокам аминокислот (рис. 2.2). Присутствие накладок ведет к ошибкам при синтезе белка, что сильно уменьшает скорость авторепродукции. По-видимому, к дальнейшей эволюции способны были только те объекты, в которых подобного вырождения не было.

Рис. 2.2. Обратное вырождение: два адаптера, комплементарные к разным аминокислотам и одинаковым кодам.

Из этих соображений можно оценить верхнюю границу длины первичной последовательности нуклеотидов без накладок. Условие отсутствия накладок заведомо выполнено, если последовательность нуклеотидов в ДНК не содержит повторяющихся кодонов. Вероятность того, что синтезированная наугад последовательность из кодонов окажется без накладок, составляет

где максимальное число нуклеотидов в случае троичного кода, при котором накладки могут отсутствовать (при они образуются обязательно). При величина близка к единице; при увеличении она падает, достигая половины при Это значение можно принять за верхнюю границу длины первичного нуклеотида. (Отметим, что длина современных геномов существенно больше.)

Другое важное следствие относится к вопросу о взаимодействии объектов с различными последовательностями нуклеотидов. При тесном контакте объектов наборы их адаптеров перемешиваются, при этом возникает хотя бы одна накладка, типа изображенной на рис. 2.2. В результате во встретившихся объектах нарушится синтез белка и они оба погибнут. Таким образом, взаимодействие объектов с различными наборами адаптеров (т. е. с различными кодами) является антагонистическим. Это очень важно на последующей стадии для процесса отбора.