Проблема синтеза белка как информационная проблема

Как соединить все аминокислоты в таком порядке, чтобы ре­зультатом синтеза стал биологически активный белок, — это про­блема информационная. Количество информации, необходимое для создания системы или любого элемента системы, зависит от коли­чества необходимых для этого команд. Совершенно произвольное соединение аминокислот не требует специальных команд. Созда­ние кристалла требует сначала ряда команд для создания малень­кой ячейки с симметрией, свойственной этому кристаллу, а затем -команды повторять выполнение предыдущих команд до тех пор, пока не образуется большой кристалл. Создание газеты предпола­гает гораздо больший объем информации, так как буквы на стра­нице должны располагаться в определенной последовательности, чтобы получились соответствующие слова, предложения, абзацы и статьи. Получение биологически активных белков сродни произ­водству газет. Рассмотрим этот вопрос.

Представьте себе, что нам нужно написать предложение «КАК ВОЗНИКЛА ЖИЗНЬ?» Прежде всего, мы сталкиваемся с наличи­ем смеси L- и D-аминокислот, в то время как нам необходимы толь­ко L-аминокислоты — как будто некоторые буквы повернулись на 180 градусов относительно горизонтальной оси предложения, «встали на голову». Такие перевернутые буквы будут представлять собой D-аминокислоты предложения, смешанные с L-аминокислотами.

Следующая проблема — непептидные связи, возникающие меж­ду аминокислотами (см. рисунок 5.4, где изображена нормальная пептидная связь). Некоторые из рядом стоящих букв расположи­лись беспорядочно друг относительно друга, отчего информация, содержащаяся в предложении, пострадала еще сильнее.

И, наконец, рассмотрим вопрос неправильной последовательно­сти аминокислот в цепи. Представим себе, что некоторые буквы мы поменяем местами. Смысл предложения будет совершенно потерян.

Если все вышеперечисленные проблемы встретятся в одном предложении, расшифровать изначальное сообщение будет невоз­можно — мы получим пример полной потери функциональности. Такая же потеря функциональности, только биологической, случа­ется, если полимер образован не только L-аминокислотами, если не все связи в нем — пептидные, и если нарушена последователь­ность расположения аминокислот в молекуле белка.

Но сложнее всего, пожалуй, выбрать только русские буквы из «ал­фавитного бульона», в котором есть и русские буквы (играющие роль аминокислот), и китайские, и греческие, и еврейские (представляю­щие другие виды органических молекул в первичном бульоне). Кроме того, нужно выбрать только три буквы К, две А, две И, две Н, и по одной В, О, Л, Ж, 3, Ь.

В 1984 году мы предположили, что вопрос о возникновении жиз­ни — это по сути вопрос информационный," но эта идея пришла в голову не только нам. Бернд-Олаф Kynnepc.fBernd-Olaf Kuppers) в своей статье «Информация и возникновение жизни» (1990) пи­шет: «Очевидно, что вопрос возникновения жизни в сущности сводится к вопросу о возникновении оиологическои информации», о конце 80-х подобные заявления делали Джеффри Уикен и Роберт Шапиро, а в 70-е об этом же говорили А. Э. Уайлдер-Смит и Хью­берт Б. Иоки.⁴⁵

Синтез белка и теория вероятности

Вопрос о соединении аминокислот в функциональный белок можно рассмотреть с точки зрения теории вероятности и матема­тической статистики. Упрощая вопрос, предположим, что возмож­ность получения L-аминокислоты (а не D-) составляет 50%, а ве­роятность соединения двух таких L-аминокислот пептидной свя­зью тоже 50%. Вероятность того, что нужная аминокислота ста­нет на нужное место в цепи, можно оценить как 5%, при условии, что в первичном бульоне все 20 аминокислот находятся в пример­но равной концентрации. Первые два предположения реальны, тог­да как в третьем случае цифра будет слишком высокой для одних аминокислот и слишком низкой — для других.

Если пренебречь возможностью реакций аминокислот с други­ми химическими веществами, то вероятность правильного распо­ложения в цепи для одной аминокислоты будет равна 0,5x0,5x0,05 = 0,0125. Вероятность того, что правильно будут расположены N аминокислот, будет равна 0,0125 х 0,0125 х... 0,0125 в степени N. Если молекула функционирующего белка имеет сто активных уча­стков, вероятность получения необходимого соединения равна 0,0125 в сотой степени, то есть 4,9-10 ~’⁹¹. Такая ничтожно малая вероятность заставила многих ученых, исследующих этот вопрос, отка­заться от идеи случайного синтеза или благоприятного случая в качестве объяснения возникновения жизни.

Предположим, что весь углерод на Земле связан в виде амино­кислот, аминокислоты могут вступать в реакцию с максимальной скоростью 10¹² в секунду, и это будет продолжаться в течение мил­лиарда лет (максимальный срок от момента остывания Земли до появления жизни). Даже при таких допущениях мы будем вынуж­дены заключить, что вероятность появления одной-единственной молекулы биологически активного белка ничтожно мала — прибли­зительно 10^-65, как отмечал Йоки.⁴⁶ Д. Кеньон, Дж. Штейнман (G. Steinman) и сэр Фредерик Хойл пришли к такому же выводу и поз­же писали: «Современные представления о возникновении жизни так же правдоподобны, как и предположение о том, что ураган, пройдя через свалку, может собрать Боинг-747».⁴⁷

Синтез ДНК и РНК

Вопрос о добиологическом синтезе ДНК и РНК ещё сложней, чем вопрос о возникновении белка. Шапиро подытожил свою ра­боту в этой области следующим образом: «Данные, которыми мы сейчас располагаем, не подтверждают возможности синтеза ри-бозы в первичном бульоне, за исключением, может быть, кратких периодов, когда она могла появляться в малых концентрациях в составе сложных смесей и в условиях, в которых нуклеозидный синтез невозможен».⁴⁸ С докладом, содержащим это утверждение, автор выступил на совещании Международного общества изуче­ния возникновения жизни, где присутствовало более трехсот уче­ных со всего мира, и никто из них не опроверг тезис Шапиро.

РНК и вещества, входящие в ее состав, даже в идеальных ла­бораторных условиях синтезировать весьма трудно, а в добиоло-гических условиях такой синтез представляется еще менее веро­ятным. Так, например, среди продуктов в цепи реакций по получе­нию рибозы — важного компонента РНК, будет не только рибоза, но еще и другие сахара, которые тормозят синтез РНК. Загадкой остается и вопрос, каким образом фосфор, который относительно редко встречается в природе, стал одним из важнейших компонен­тов РНК и ДНК.

Лесли Оргел (Leslie Orgel) из Института биологии Салка — учё­ный, который проделал больше экспериментов по воссозданию «мира РНК», чем, пожалуй, все остальные ученые, вместе взятые, — счи­тает, что эксперименты, с помощью которых ученые пытаются ими­тировать ранние этапы истории «мира РНК», чересчур усложнены, и потому не могут дать нам мало-мальски правдоподобного представления о появлении жизни на Земле. В журнале "Scientific American " недавно было приведено следующее высказывание это­го биолога: «Немыслимо много вещей нужно сделать абсолютно точно, не допустив ни единой ошибки».⁴⁹ Сэр Фрэнсис Крик, Нобе­левский лауреат, в книге «Сама жизнь» написал: «Появление жизни на сегодняшний день выглядит почти чудом -столь многим услови­ям оно должно было удовлетворять».⁵⁰ В 1988 году Дозе писал о синтезе биополимеров, таких, как ДНК и РНК: «Мы просто не мо­жем себе представить всех трудностей, которые нам придется пре­одолеть... Карта на рисунке 2 [изображающая путь синтеза рибосо-мального белка, закодированного в нуклеиновой кислоте] -это кар­та нашего невежества. И это невежество будет процветать, если не появятся новые фундаментальные открытия в области эволюцион­ных процессов, возможно, основанные на новом мышлении».⁵¹ Оче­видно, что вопросы информации/сложности, связанные с возникно­вением жизни, породят новые, возможно, неразрешимые проблемы.