Все необхідне для створення РНК можна синтезувати з простої хімічної сировини без допомоги ферментів.
Серед гіпотез про виникнення життя на Землі найпопулярніша на сьогоднішній день - це гіпотеза «світу РНК». Основний, якщо можна так сказати, процес життя - передача спадкової інформації з урахуванням змін, які в ньому відбулися.
Нуклеїнові кислоти цілком підходять на роль «першопредків»: вони інформацію зберігають, вони можуть її копіювати, і в тій інформації, яка в них зберігається, можливі зміни - мутації, які можуть бути корисними, нейтральними або шкідливими. Однак, якщо говорити про ДНК, то їй для копіювання все-таки потрібна допомогою білків. А ось РНК сама здатна бути ферментом, сама може здійснювати певні хімічні реакції, і, як показали експерименти, молекули РНК цілком здатні нарощувати рибонуклеотидний ланцюг - тобто РНК може синтезувати РНК.
Звідси народилося картина «світу РНК», згідно з якою життя на Землі почалося в первинному хімічному супі, заповненому найдавнішими РНК, які копіювали самих себе. Зрозуміло, проти цієї гіпотези існує ряд заперечень. Наприклад, є проблема мембран, суть якої в тому, що реакції з РНК, очевидно, повинні були відбуватися не в безкрайньому первинному океані, а в якихось реакційних мікроосередках, мікрореакторах. Такий мікрореактор могли б створити ліпідні мембрани, але для синтезу мембран потрібні білки, а білків тоді ще не було. (Втім, варто зауважити, що останнім часом на роль таких хімічних реакторів пропонують мікропори в мінеральних породах на дні стародавнього океану.)
Інше питання до «миру РНК» - звідки взялася низькомолекулярна сировина для самих РНК-полімерів. Мономерами РНК служать рібонуклеотиди, структура яких не така вже й проста, і в сучасних клітинах вони синтезуються за допомогою білків. Тому було висунуто припущення, що життя на Землі зобов'язана якимось металевим каталізаторам, за допомогою яких спочатку був створений якийсь каркас метаболічних реакцій, а вже потім на базі цих реакцій стало можливим створити необхідні «напівфабрикати» для синтезу вищих біомолекул.
Однак, як виявилося, стародавні РНК могли обійтися і без допомоги якихось інших каталізаторів. У 2009 році Джон Сазерленд (John Sutherland) з Кембриджа разом зі своїми співробітниками опублікував статтю, в якій говорилося, що деякі з «цеглинок» для РНК можна створити з дуже простої сировини - ацетилену і формальдегіду. Важливо, що тут ніяких каталізаторів не було потрібно, достатньо було відтворити умови, які імовірно були в ті часи в первинному супі на поверхні Землі.
А минулого року Сазерленд з колегами випустив у Nature Chemistry статтю, в якій говорилося, що в синтезі попередників нуклеїнових кислот можна обійтися одними лише ціаністим воднем (HCN), сірководнем (H2S) і ультрафіолетовим випромінюванням (більш того, з них же можна зробити попередників для аміноі кислопромінюванням.
Однак тут варто уточнити, що синтез «напівфабрикатів» для РНК з дуже простої «праісторичної» сировини вдалося повною мірою здійснити не для всіх мономерів-рібонуклеотидів. Як відомо, до їх складу входять азотисті підстави, в РНК це аденін (A), гуанін (G), цитозин (C) і урацил (U) - саме вони і є ті самі генетичні літери, що кодують спадкову інформацію (в ДНК все те ж, тільки замість урацилу - тимін (T)). Хімічно вони відрізняються, цитозин і урацил відносяться до піримідинових підстав, аденін і гуанін - до пуринових. Схема синтезу, запропонована Сазерлендом і його групою, підходила для піримідинів, але не для пурінів. В принципі, якісь обхідні шляхи тут були, проте в результаті виходила зовсім невелика кількість пуринів (нагадаємо, що ланцюжок реакцій повинен був відбуватися в тих умовах, які, як вважається, існували на найдавнішій Землі в момент виникнення життя).
Рішення вдалося знайти Томасу Карреллу (Thomas Carell) і його колегам з Мюнхенського університету Людвіга-Максиміліана. Група Каррелла вже багато років займається хімічними модифікаціями нуклеїнових кислот, і в якийсь момент дослідники помітили, що одна з модифікацій піримідину під назвою формамідопірімідін (FaPy), яка реагує з ДНК, здатна перетворюватися на пуринові підстави. Тепер залишалося тільки перевірити, чи можна відтворити ті ж реакції, але в «праісторичних» умовах.
У статті в Science автори пишуть, що пурини для РНК дійсно можна зробити, маючи на руках тільки водень, ціанід і воду. Правда, для того щоб направити реакції потрібним шляхом і отримати саме ті проміжні сполуки які могли б перетворитися на пурини, потрібно було підкислити реакційне середовище, проте з кислотою, як вважається, в первинному супі проблем вже точно не було.
Отриманий проміжний продукт, аміноповідин, охоче реагував з мурахівною кислотою або з формамідом, а потім - з цукрами, і в результаті виходила велика кількість пуринових підстав. Мурашину кислоту і формамід апарат «Розетта» в минулому році знайшов на кометі 67Р/Чурюмова - Герасименко, так що ці реагенти цілком могли прилетіти до нас з космосу.
Іншими словами, життя на Землю і справді занесло ззовні, тільки зовсім не в тому вигляді, в якому зазвичай уявляють - не у вигляді магічного «насіння», і навіть не у вигляді бактерій, і навіть не у вигляді готових біологічних молекул, а у вигляді найпростішої хімічної будівельної сировини. (Адже і ціанід, як вважається, теж міг бути космічного походження - ціаністий водень в достатку зустрічається в метеоритах, і на Землю він міг потрапити якраз з ними: у перші кілька сотень мільйонів років земної історії метеоритні дощі йшли безперервно.)
Крім пуринових і піримідинових азотистих підстав, до складу рібонуклеотидів входять рібоза і фосфорна кислота, але вони влаштовані простіше, а про цукру давно відомо, що вони можуть синтезуватися абіогенним шляхом (і навіть в «зоряних» умовах, як ми писали зовсім недавно). Тобто все, що потрібно для синтезу РНК, на стародавній Землі можна було отримати з елементарної сировини і без участі складних ферментів.
Правда, залишається питання, як взагалі стали з'являтися перші РНК, тобто як і чому рибонуклеотидні цеглинки-мономери з буквами A, G, C і U почали об'єднуватися. Але все ж не можна не визнати, що нові результати так чи інакше служать зміцненню гіпотези світу РНК, так що саме цей шлях виникнення життя на Землі здається все більш імовірним.
За матеріалами Science.