Можно ли собрать РНК из «неживого» сырья?
Все необходимое для создания РНК можно синтезировать из простого химического сырья без помощи ферментов.
Среди гипотез о возникновении жизни на Земле самая популярная на сегодняшний день – это гипотеза «мира РНК». Основной, если можно так сказать, процесс жизни – передача наследственной информации с учётом изменений, которые в ней произошли.
Нуклеиновые кислоты вполне подходят на роль «первопредков»: они информацию хранят, они могут её копировать, и в той информации, которая в них хранится, возможны изменения – мутации, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными. Однако, если говорить о ДНК, то ей для копирования всё-таки нужна помощью белков. А вот РНК сама способна быть ферментом, сама может осуществлять определённые химические реакции, и, как показали эксперименты, молекулы РНК вполне способны наращивать рибонуклеотидную цепь – то есть РНК может синтезировать РНК.
Отсюда родилось картина «мира РНК», согласно которой жизнь на Земле началась в первичном химическом супе, заполненном древнейшими РНК, копировавшими самих себя. Разумеется, против этой гипотезы существует ряд возражений. Например, есть проблема мембран, суть которой в том, что реакции с РНК, очевидно, должны были происходить не в бескрайнем первичном океане, а в каких-то реакционных микроячейках, микрореакторах. Такой микрореактор могли бы создать липидные мембраны, но для синтеза мембран нужны белки, а белков тогда ещё не было. (Впрочем, стоит заметить, что в последнее время на роль таких химических реакторов предлагают микропоры в минеральных породах на дне древнего океана.)
Другой вопрос к «миру РНК» – откуда взялось низкомолекулярное сырьё для самих РНК-полимеров. Мономерами РНК служат рибонуклеотиды, структура которых не такая уж и простая, и в современных клетках они синтезируются с помощью белков. Поэтому было выдвинуто предположение, что жизнь на Земле обязана неким металлическим катализаторам, с помощью которых сначала был создан некий каркас метаболических реакций, а уж потом на базе этих реакций стало возможным создать необходимые «полуфабрикаты» для синтеза высших биомолекул.
Однако, как оказалось, древние РНК могли обойтись и без помощи каких-то других катализаторов. В 2009 году Джон Сазерленд (John Sutherland) из Кембриджа вместе со своими сотрудниками опубликовал статью, в которой говорилось, что некоторые из «кирпичиков» для РНК можно создать из очень простого сырья – ацетилена и формальдегида. Важно, что здесь никаких катализаторов не требовалось, достаточно было воспроизвести условия, которые предположительно были в те времена в первичном супе на поверхности Земли.
А в прошлом году Сазерленд с коллегами выпустил в Nature Chemistry статью, в которой говорилось, что в синтезе предшественников нуклеиновых кислот можно обойтись одними лишь цианистым водородом (HCN), сероводородом (H2S) и ультрафиолетовым излучением (более того, из них же можно сделать предшественников для аминокислот и липидных молекул).
Однако тут стоит уточнить, что синтез «полуфабрикатов» для РНК из очень простого «праисторического» сырья удалось в полной мере осуществить не для всех мономеров-рибонуклеотидов. Как известно, в их состав входят азотистые основания, в РНК это аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U) – именно они и есть те самые генетические буквы, кодирующие наследственную информацию (в ДНК всё то же, только вместо урацила – тимин (T)). Химически они отличаются, цитозин и урацил относятся к пиримидиновым основаниям, аденин и гуанин – к пуриновым. Схема синтеза, предложенная Сазерлендом и его группой, подходила для пиримидинов, но не для пуринов. В принципе, какие-то обходные пути здесь были, однако в результате получалось совсем небольшое количество пуринов (напомним, что цепочка реакций должна была происходить в тех условиях, которые, как считается, существовали на древнейшей Земле в момент возникновения жизни).
Решение удалось найти Томасу Карреллу (Thomas Carell) и его коллегам из Мюнхенского университета Людвига–Максимилиана. Группа Каррелла уже много лет занимается химическими модификациями нуклеиновых кислот, и в какой-то момент исследователи заметили, что одна из модификаций пиримидина под названием формамидопиримидин (FaPy), которая реагирует с ДНК, способна превращаться в пуриновые основания. Теперь оставалось только проверить, можно ли воспроизвести те же реакции, но в «праисторических» условиях.
В статье в Science авторы пишут, что пурины для РНК действительно можно сделать, имея на руках только водород, цианид и воду. Правда, для того чтобы направить реакции по нужному пути и получить именно те промежуточные соединения которые могли бы превратиться в пурины, нужно было подкислить реакционную среду, однако с кислотой, как считается, в первичном супе проблем уж точно не было.
Получившийся промежуточный продукт, аминопиримидин, охотно реагировал с муравьиной кислотой или с формамидом, а потом – с сахарами, и в результате получалось большое количество пуриновых оснований. Муравьиную кислоту и формамид аппарат «Розетта» в прошлом году нашёл на комете 67P/Чурюмова – Герасименко, так что эти реагенты вполне могли прилететь к нам из космоса.
Иными словами, жизнь на Землю и впрямь занесло извне, только совсем не в том виде, в каком обычно представляют – не в виде магических «семян», и даже не в виде бактерий, и даже не в виде готовых биологических молекул, а в виде простейшего химического строительного сырья. (Ведь и цианид, как считается, тоже мог быть космического происхождения – цианистый водород в изобилии встречается в метеоритах, и на Землю он мог попасть как раз с ними: в первые несколько сотен миллионов лет земной истории метеоритные дожди шли непрерывно.)
Кроме пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, в состав рибонуклеотидов входят рибоза и фосфорная кислота, но они устроены проще, а про сахара давно известно, что они могут синтезироваться абиогенным путём (и даже в «звёздных» условиях, как мы писали совсем недавно). То есть всё, что нужно для синтеза РНК, на древней Земле можно было получить из элементарного сырья и без участия сложных ферментов.
Правда, остаётся вопрос, как вообще стали появляться первые РНК, то есть как и почему рибонуклеотидные кирпичики-мономеры с буквами A, G, C и U начали объединяться. Но всё же нельзя не признать, что новые результаты так или иначе служат укреплению гипотезы мира РНК, так что именно этот путь возникновения жизни на Земле кажется всё более вероятным.
По материалам Science.
16 мая 2016
Статьи по теме:
