Открыты новые химические реакции «происхождения жизни»
Четыре миллиарда лет назад Земля выглядела совсем иначе, чем сегодня, лишенная жизни и покрытая огромным океаном. В течение миллионов лет в этом первозданном бульоне зародилась жизнь. Исследователи давно думают над тем, как молекулы объединились, чтобы вызвать этот переход. Теперь ученые из Scripps Research обнаружили новый набор химических реакций, в которых используются цианид, аммиак и углекислый газ — все они считаются обычными на ранней Земле — для образования аминокислот и нуклеиновых кислот, строительных блоков белков и ДНК.
«Мы придумали новую парадигму, чтобы объяснить переход от пребиотической к биотической химии», — говорит Раманараянан Кришнамурти, доцент кафедры химии института Scripps Research и ведущий автор новой статьи, опубликованной в журнале Nature Chemistry. «Мы думаем, что реакции, которые мы описали, вероятно, могли произойти на ранней Земле».
Недавно открытые химические реакции не только дают исследователям представление о химии ранней Земли, но и полезны в некоторых производственных процессах, таких как создание биомолекул с индивидуальной маркировкой из недорогих исходных материалов.
Ранее ученые показали, как цианид может запускать химические реакции, которые превращают пребиотические молекулы и воду в основные органические соединения, необходимые для жизни. В отличие от ранее предложенных реакций, эта работала при комнатной температуре и в широком диапазоне рН. Исследователи задались вопросом, можно ли в тех же условиях генерировать аминокислоты, более сложные молекулы, из которых состоят белки во всех известных живых клетках.
Сегодня в клетках аминокислоты генерируются из предшественников, называемых α-кетокислотами, с использованием как азота, так и специализированных белков, называемых ферментами. Исследователи нашли доказательства того, что α-кетокислоты, вероятно, существовали в начале истории Земли.
Однако многие предполагали, что до появления клеточной жизни аминокислоты должны были образовываться из совершенно других предшественников, альдегидов, а не α-кетокислот, поскольку ферментов для осуществления преобразования еще не существовало. Но эта идея вызвала споры о том, как и когда произошел переход от альдегидов к α-кетокислотам как ключевому ингредиенту для производства аминокислот.
После успешного использования цианида для управления другими химическими реакциями ученые предположили, что цианид, даже без ферментов, может также помочь превратить α-кетокислоты в аминокислоты. Поскольку они знали, что в той или иной форме потребуется азот, они добавили аммиак — форму азота, которая должна была присутствовать на ранней Земле. Затем путем проб и ошибок они обнаружили третий ключевой ингредиент: углекислый газ. С этой смесью они быстро начали формировать аминокислоты.
«Мы ожидали, что разобраться в этом будет довольно сложно, а оказалось, что это даже проще, чем мы себе представляли», — говорит Раманараянан Кришнамурти. «Если вы смешаете только кетокислоту, цианид и аммиак, он просто остаются там. Как только вы добавите углекислый газ, даже следовые количества, реакция наберет скорость».
Исследователи говорят, что поскольку новая реакция относительно похожа на то, что происходит сегодня внутри клеток, за исключением того, что она вызвана цианидом, а не белком, скорее всего, она является источником ранней жизни. Исследование также помогает объединить две стороны давних споров о важности углекислого газа для ранней жизни, делая вывод, что углекислый газ был ключевым, но только в сочетании с другими молекулами.
В процессе изучения своего химического супа ученые обнаружили, что побочным продуктом той же реакции является оротат, предшественник нуклеотидов, составляющих ДНК и РНК. Это говорит о том, что один и тот же первичный бульон при правильных условиях мог дать начало большому количеству молекул, необходимых для ключевых элементов жизни.
«То, что мы хотим сделать дальше, — это продолжить исследование того, какая химия может появиться из этой смеси», — говорит Раманараянан Кришнамурти. «Могут ли аминокислоты начать формировать небольшие белки? Может ли один из этих белков вернуться и начать действовать как фермент, чтобы производить больше этих аминокислот?»
Исследование было опубликовано в журнале Nature Chemistry.