Чи можна зібрати РНК з «неживої» сировини?

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.


COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND