Вплив низьких температур на структурні й функціональні особливості рибонуклеїнової кислоти (РНК) може мати важливе значення для розуміння біохімічних процесів раннього життя на Землі.
Рибонуклеїнова кислота (РНК) є важливою біомолекулою, яка бере участь у передачі генетичної інформації та регуляції біохімічних процесів. Структурно схожа на дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК), вона виконує свої функції через здатність згортатися в різноманітні просторові форми. Ці форми визначаються як послідовністю азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин і урацил), так і міжмолекулярними взаємодіями, що виникають при взаємодії молекул рибози з водою.
Нові дослідження показали, що при температурах нижче +20°C РНК починає формувати нестандартні компактні структури. Зокрема, стабільність РНК досягає максимуму при +5°C, коли взаємодія рибози з молекулами води стає вирішальним фактором для збереження правильної конформації молекули. При подальшому зниженні температури, нижче -50°C, спостерігається холодова денатурація — процес, коли РНК втрачає свою структуру через зміни у водневих зв’язках між рибозою та водою.
Цей феномен, за висновками дослідників, може бути універсальним для всіх молекул РНК, але його прояви модулюються різними факторами, такими як послідовність основ, рівень кислотності середовища та концентрація солей. Зміни в просторових конформаціях РНК під впливом температур можуть допомогти зрозуміти, як подібні молекули адаптувалися до умов ранньої Землі та екстремальних середовищ, зокрема, до холодних вод океанів та арктичних регіонів.
Дослідження також показали, що при низьких температурах взаємодії рибози з водою стають настільки важливими, що починають переважати над традиційними взаємодіями між основами (аденін-урацил, гуанін-цитозин), які зазвичай стабілізують структуру РНК. Це відкриття свідчить про можливе існування примітивної біохімії, заснованої на взаємодіях між цукрами, яка могла передувати сучасним біохімічним механізмам. Так звана “світ солодких РНК” теоретично могла виникнути в умовах екстремально низьких температур, зокрема, на ранніх етапах розвитку Землі або інших небесних тілах, де постійно відбувалися цикли нагрівання і охолодження.
Оптична пінцетна силова спектроскопія, застосована в дослідженнях, дала можливість виміряти зміни теплоємності й ентропії РНК під час її згортання. Це дозволило підтвердити, що при зниженні температури кількість доступних станів для РНК значно зменшується, що свідчить про зміну просторової структури молекули. Такі висновки дають новий погляд на еволюцію молекулярних механізмів у різних кліматичних умовах.
Ці нові знання мають особливе значення для розуміння механізмів виживання організмів, що населяють холодні регіони планети. Психрофіли — організми, що живуть за низьких температур, могли адаптувати свої біохімічні механізми до умов, де взаємодії молекул з водою мають вирішальне значення для збереження структурної стабільності.