Для синтезу найперших білкових молекул на Землі не було потрібно ніяких екстремальних умов.
Зародження життя на Землі зазвичай асоціюється з якимись надзвичайними катаклізмами. Справа в тому, що біологічні молекули влаштовані складно, а хімічні сполуки в «дожиттєві» часи були досить простими. У лабораторних умовах «зліпити» біологічні молекули з простих компонентів - завдання не з легких, і довгий час вважалося, що подібні реакції вимагали величезної кількості енергії і могли протікати лише у виняткових умовах - за допомогою сильного УФ-випромінювання, на тлі блискавок і палаючих вулканів.
Але хто сказав, що складні біологічні молекули насправді утворилися за один прийом? Ймовірно, на ділі все відбувалося в кілька етапів і з безліччю проміжних речовин, які, в свою чергу, допомагали процесу «життєбудівництва» просуватися далі, аж до появи біомолекули. Такої точки зору дотримуються дослідники з Технологічного інституту Джорджії, які запропонували сценарій виникнення перших білків на нашій планеті.
На думку Джея Форсайта (Jay Forsythe) і його колег, все почалося з депсипептидів - білковоподібних молекул, що містять у своєму складі, крім амінокислот, ще й гідроксикислоти. Так називають структурні аналоги амінокислот, які часто знаходять на метеоритах і в яких не було нестачі ні тоді, ні зараз. (Наприклад, до гідроксикислот відносять лимонну, молочну і яблучну кислоти.) Гідроксикислоти набагато легше зв'язуються з амінокислотами, ніж амінокислоти - між собою. З іншого боку, їхні зв'язки з амінокислотами дуже легко руйнуються водою, тоді як зв'язки амінокислот один з одним у водних розчинах дуже стійкі.
Якщо уявити, що депсипептиди то «висихають», то знову потрапляють у воду, гідроксикислоти з них будуть вимиватися, а у звільнені місця будуть вбудовуватися амінокислоти з «водостійкими» зв'язками, і через якийсь час депсипептиди будуть складатися вже тільки з одних амінокислот. Варто підкреслити, що самі по собі, без посередництва гідроксикислот, амінокислоти при звичайних умовах з'єднуватися не стали б, особливо в такі великі структури.
Це не просто відволікована гіпотеза - перетворення депсипептидів на білки дослідники спостерігали в лабораторному експерименті. Більш того, виявилося, що таким способом можна отримати молекули різної будови, а де є різноманітність, там є і еволюційний відбір. У природних умовах така реакція могла відбуватися де-небудь в прибережній зоні дрібних, насичених органічними речовинами водойм, на каменях, куди депсипептиди приносило хвилями і де вони висихали на сонці, а потім з бризками і дощем знову «сповзали» назад - і так багато разів поспіль. Повністю результати досліджень опубліковані в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Як нові результати співвідносяться із загальними уявленнями про появу життя, які побутують у сучасній науці? Ні для кого не секрет, що амінокислоти у нас в клітинах ніколи не збираються в білки самі по собі. Для збирання білків існує спеціальна молекулярна машина, яка приєднує амінокислоти в строго певній послідовності, прописаній в геномі. Тому довгий час всі дивувалися, як на етапі зародження життя білок міг з'явитися раніше, ніж нуклеїнова кислота, якщо інформація про його структуру закодована саме в ній? Залишалося тільки допустити, що так було не завжди. З'явилася гіпотеза, що «на зорі часів» білки нічим не кодувалися і виникали в результаті самозбірки.
Такий «початковий біосинтез» спробували здійснити в лабораторних умовах, намагаючись зімітувати умови, в яких хімічні сполуки перебували на планеті мільярди років тому: через реакційні суміші пропускали електричні розряди, розігрівали їх до аномальних за сучасними мірками температур тощо. Щось в підсумку виходило, але виходило погано: до таких витончених експериментів, як з депсипептидами, було ще далеко.
Інша проблема з білковою гіпотезою стосувалася спадковості. Якщо амінокислоти в білці шикуються щоразу у випадкову послідовність, і послідовність ця ніде не кодується (за білковою гіпотезою, нуклеїнових кислот ще немає), то структуру конкретного білка просто неможливо повторити - не може з'явитися другого покоління молекул, які повторювали б «предків».
Але для того, щоб вийшла найпримітивніша клітина з найбільш примітивним обміном речовин, потрібно мати на руках досить значний комплект білків. Ймовірність того, що вони всі могли б вийти одночасно, зникаюче мала. Таке могло б статися, якби інформація про них зберігалася довгий час, тоді ті, хто з'явився раніше, відтворюючи себе в наступних поколіннях, могли б дочекатися інших. Але копіювати самі себе білки не можуть, а сторонніх носіїв інформації тоді, повторимо, ще не було.
Вирішення проблеми з передачею спадкової інформації з'явилося з відкриттям у нуклеїнових кислот виключно важливих властивостей. Клітини синтезують і РНК, і ДНК за допомогою ферментів - білків, які полегшують реакцію приєднання нуклеотидів (складових частин нуклеїнових кислот) один до одного.
Ферментативні властивості довгий час вважалися унікальними для білків, але в 1970-ті їх раптом виявили і у деяких різновидів рібонуклеїнової кислоти. Виявилося, що деякі РНК здатні каталізувати приєднання нуклеотидів - тобто РНК синтезувала РНК. І, що важливо, при синтезі нуклеїнова кислота відтворювала власну нуклеотидів послідовність. Іншими словами, можна уявити собі стародавній світ біомолекул, які передають інформацію про самих себе з покоління в покоління, тільки біомолекули ці - не білки, а РНК. З'явилася гіпотеза «світу РНК», яка залишається загальноприйнятою і донині.
Копіюючи самих себе, нуклеїнові кислоти неминуче допускали помилки, так що «нащадки» виходили, хоч в цілому і схожими на «батьків», але все-таки з відзнаками. Під впливом умов середовища з таких різноманітних нащадків перевагу отримували лише деякі - наприклад, ті, які копіювали себе швидше за інших.
Надалі виявилося, що найшвидше справа йде за допомогою інших молекул - наприклад, білків, так що в підсумку в еволюційній гонці вперед вирвалися ті, хто навчився симбіозу з білками. У міру розвитку нуклеїново-білкових «відносин» виник генетичний код, коли нуклеїнові кислоти навчилися кодувати амінокислотну послідовність своїх «напарників», а РНК поступилася місцем ДНК як головній спадковій молекулі.
У гіпотезі «світу РНК» все ще багато умоглядних допущень, проте тут поступово з'являються нові дослідження, що дозволяють цілком задовільно проілюструвати деякі темні місця - так, експерименти з депсипептидами показують, що у стародавніх нуклеїнових кислот міг бути широкий вибір в сенсі білкових молекул для співпраці.
Ну а що стосується самої вихідної сировини, з якої повинні були вийти біомолекули, то з цим, як тепер відомо, проблем не було - всі необхідні будівельні сполуки легко могли з'явитися в земному «первинному супі».