Эксперимент по эволюции РНК, кодирующей РНК-репликазу: промежуточные итоги

Один из основных вопросов, касающихся гипотезы мира РНК, состоит в том, могла ли популяция РНК-репликаторов, которые кодируют собственную репликазу, эволюционировать по Дарвину, постепенно усложняясь. Ученые из Университета Токио проводят длительный эксперимент, моделирующий эволюцию молекул РНК. Они опубликовали промежуточные результаты в Nature Communications и сообщили, что исходная популяция молекул РНК в ходе эволюции разделяется на «хозяев» и «паразитов», относительные доли которых в популяции поначалу колеблются, но затем стабилизируются.

Эксперимент стартовал в 2013 году. Исследователи получили одноцепочечные молекулы РНК, с которых непосредственно транслируется РНК-зависимая РНК-полимераза (РНК-репликаза) фага Qβ. Трансляция осуществляется соответствующим аппаратом, взятым у кишечной палочки Escherichia coli. Все компоненты, необходимые для трансляции, заключены в капли масла, находящиеся в водном растворе. В этих же каплях находятся молекулы РНК.

Каждый цикл репликации включает инкубацию суспензии в течение пяти часов при 37 °C. Затем суспензия разбавляется в пять раз путем добавления новых капель, содержащих трансляционный аппарат. Далее смесь тщательно перемешивают, чтобы добиться случайного слияния и разделения капель с РНК.

Репликация РНК сопровождается ошибками, причем иногда между молекулами РНК происходит рекомбинация, в результате которой одна из молекул получает делецию, которая затрагивает область, кодирующую репликазу. Такие РНК уже не могут удваиваться сами по себе без репликазы, кодируемой другими молекулами («хозяевами»), и становятся «паразитами».

В конце каждого цикла репликации ученые оценивали количество молекул РНК-«хозяев» с помощью ПЦР в реальном времени. Ранее было показано, что за 120 раундов репликации, которые по времени продлились в общей сложности 600 часов, популяции «паразитов» и «хозяев» также дополнительно подразделяются. Кроме того, возникают механизмы защиты от паразитов, а также способы противодействия механизмам защиты.

Авторы работы продолжили эксперимент до 240 раундов репликации, которые суммарно заняли 1200 часов. Они показали, что «паразиты» появлялись в популяции уже на первых раундах, однако на ранних циклах репликации относительные доли «хозяев» и «паразитов» претерпевали неупорядоченные колебания. На поздних циклах эти колебания превращались в относительно регулярные осцилляции.

Хотя на ранних стадиях «паразиты» имели длины около 220, 500 и 1100 нуклеотидов, на поздних почти все «паразиты» имели длину около 500 нуклеотидов. Более того, популяции «паразитов» и «хозяев» также постепенно разделяются на отдельные подгруппы, численность которых поначалу тоже колеблется, а потом стабилизируется.

В конце 240 циклов ученые получили популяцию из пяти основных эволюционных линий РНК, которые образовывали сложную сеть взаимодействий, включающую кооперацию с целью облегчения репликации молекул из других популяций. По мнению авторов, полученные результаты доказывают, что эволюция простейших регуляторов по Дарвину возможна и, более того, популяция репликаторов постепенно усложняется в ходе эволюции.