Исследователи из Массачусетского технологического института под руководством профессора Мэй Хонг и планетолога Сары Сигер совместно с учеными из Вроцлавского университета науки и техники обнаружили, что короткие пептиды способны сохранять стабильность и сворачиваться в функциональные структуры в среде концентрированной серной кислоты, из которой состоят облака Венеры. Это открытие меняет представления о возможных условиях для жизни и расширяет круг поиска обитаемых миров за пределы земного типа. Результаты работы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученые давно ищут следы жизни на других планетах, но почти всегда ориентируются на миры с жидкой водой на поверхности. Однако Венера, которую иногда называют «злым близнецом» Земли, предлагает совсем иную среду. Ее плотные облака на высоте около 50 километров содержат капли почти чистой серной кислоты, агрессивной жидкости, способной разъедать металлы.
Ранее считалось, что в таком «химическом аду» не могут существовать сложные органические молекулы, необходимые для жизни. Но новое исследование показывает, что природа может быть гораздо изобретательнее, чем мы привыкли думать.
Группа ученых из Массачусетского технологического института решила проверить, что произойдет с пептидами, короткими цепочками аминокислот, которые служат строительными блоками белков, если поместить их в 98-процентную серную кислоту. Оказалось, что вопреки ожиданиям эти молекулы не разрушаются. Секрет кроется в отсутствии воды: в столь концентрированной кислоте почти нет молекул H2O, а значит, не происходит гидролиза — реакции, которая обычно разрывает связи между аминокислотами. Без воды кислота теряет свою разрушительную силу по отношению к пептидам, и они могут оставаться целыми в течении недель.
Но самое удивительное ждало исследователей дальше. Один из изученных пептидов, известный как HHQ, в воде образует плоские структуры, похожие на листы. В серной кислоте он полностью менял свою форму, превращаясь в петлю, напоминающую греческую букву омега. Такие же омега-петли образовали и другие пептиды, такие как более длинный вариант HHQ13 и совсем другой пептид K7.
Ученые предположили, что молекулы серной кислоты действуют как невидимый каркас, проникая в центр каждой петли и удерживая ее в стабильном состоянии. Это важно, потому что именно трехмерная форма определяет, сможет ли молекула выполнять биологическую работу, например, связываться с другими веществами или ускорять химические реакции.
Подробнее об исследовании
Прежде всего, стоит пояснить, почему выбор пал именно на пептиды. В земной биологии белки и их короткие фрагменты — пептиды, выполняют почти всю «грязную работу»: они переносят кислород, расщепляют пищу, распознают вирусы, передают сигналы между клетками. Чтобы выполнять эти задачи, пептидная цепочка должна не просто существовать, а принять строго определенную пространственную конфигурацию, как ключ, который подходит только к своему замку. Если молекула плавает в растворе беспорядочным клубком, она бесполезна. Поэтому главной интригой для ученых было не просто выживание пептидов в серной кислоте, а их способность «сложиться» в нужную форму.
Эксперимент строился очень тщательно. Исследователи использовали спектроскопию ядерного магнитного резонанса на частоте 800 мегагерц. Это как сверхчувствительный микроскоп, который видит не сами атомы, а их магнитное окружение, позволяя восстановить трехмерную картину молекулы с точностью до долей ангстрема. В предыдущих работах та же группа уже доказала, что в концентрированной серной кислоте могут сохраняться ДНК-подобные молекулы, липиды (жиры) и отдельные аминокислоты. Но пептиды — это уже следующий уровень сложности, потому что они состоят из множества аминокислот, связанных между собой, и их структура гораздо более хрупкая.
Ключевой момент, который авторы подчеркивают отдельно, это роль воды. В школьной химии часто говорят, что кислота это агрессивная среда, но забывают уточнить: ее разрушительная сила во многом зависит от наличия воды. В 98-процентной серной кислоте на каждую молекулу H2SO4 приходится ничтожно мало воды. А без воды не происходит гидролиз, та самая реакция, которая расщепляет пептидные связи. Получается парадокс: чем кислее среда (то есть чем меньше в ней воды), тем она безопаснее для пептидов. Это открытие заставляет по-новому взглянуть на само понятие «агрессивная среда» в астробиологии.
Что касается удивительной омега-петли, то здесь ученые сделали еще одно наблюдение. Они выяснили, что молекулы серной кислоты буквально встраиваются в центр этой петли, стабилизируя ее за счет водородных связей, слабых, но очень важных взаимодействий между атомами. В воде такая петля была бы нестабильной, потому что молекулы воды конкурируют за те же места связи. А в серной кислоте, наоборот, формируется устойчивый «каркас», который фиксирует пептид в одной позе.
Интересно, что выбранные пептиды были не случайными. Один из них, HHQ, синтезировали искусственно и раньше изучали в контексте образования амилоидных фибрилл, тех самых агрегатов, которые связывают с болезнью Альцгеймера у людей. В воде HHQ стремится вытянуться в плоские листы и слипаться в длинные нити. В серной кислоте его поведение полностью меняется, он замыкается в компактную петлю. Это говорит о том, что одна и та же химическая формула может вести себя как совершенно разные молекулы в зависимости от растворителя. Для астробиологов это важный сигнал: даже знакомые нам органические соединения в чужих условиях могут обретать невиданные свойства.
Кроме того, исследователи проверили два других пептида — более длинный вариант HHQ13 и полностью другой по составу K7. Оба тоже образовали омега-петли, хотя их аминокислотные последовательности сильно отличались. Это намекает на то, что формирование такой структуры в серной кислоте не случайность для одного конкретного пептида, а более общий принцип, который может распространяться на многие подобные молекулы. Если это так, то спектр потенциальных «рабочих» молекул в венерианских облаках становится гораздо шире.
Авторы работы не скрывают, что их открытие лишь первый шаг. Пока они изучали очень короткие цепочки (всего из 7–13 аминокислот). Настоящие белки, выполняющие сложные функции, обычно состоят из сотен и тысяч аминокислот. Будет ли такая длинная цепь сворачиваться в серной кислоте или запутается в нерабочий клубок, вопрос открытый. Также остается неизученным, как поведут себя пептиды в реальных венерианских облаках, где помимо кислоты есть другие компоненты, например, углекислый газ, небольшое количество воды и ультрафиолетовое излучение. Лабораторные условия это идеализированная модель, а реальность всегда сложнее.
Тем не менее, даже этот первый результат заставляет пересмотреть стратегию поиска жизни. Раньше при обнаружении экзопланеты ученые в первую очередь смотрели, есть ли у нее жидкая вода на поверхности и находится ли она в «зоне обитаемости» своей звезды. Теперь же появляется веский аргумент, чтобы обратить внимание на планеты с плотной кислотной атмосферой, как Венера. Более того, если подобные облака существуют на других мирах, их можно исследовать с помощью зондов, не садясь на раскаленную поверхность, что технически проще.
В перспективе группа Сигер планирует перейти к экспериментам с двуцепочечной пептидной нуклеиновой кислотой — это синтетический аналог ДНК, в котором сахарная основа заменена на пептидную. В прошлом году они показали, что ее одиночная цепь стабильна в кислоте. Теперь хотят проверить, сможет ли двойная спираль сохраниться и, что еще важнее, будет ли она расплетаться и снова скручиваться, ведь именно это свойство ДНК лежит в основе наследственности. Если и этот эксперимент удастся, гипотеза о возможной «альтернативной биохимии» на Венере получит очень серьезное подтверждение.
Наконец, стоит отметить, что работа выполнена на стыке химии, планетологии и инженерии. Использованный ЯМР-спектрометр с частотой 800 МГц — оборудование высшего класса, доступное далеко не во всех лабораториях мира. А сотрудничество между Хонг (химик-экспериментатор) и Сигер (планетолог) показывает, как важно объединять разные дисциплины, чтобы задавать старым фактам новые вопросы.
Раньше никто не знал, что пептиды способны сохранять четкую структуру в столь агрессивной среде. Открытие меняет взгляд на то, какие планеты стоит включать в список потенциально обитаемых. Ведь если органические цепочки могут не только выживать, но и принимать функциональные формы в облаках Венеры, то нельзя исключать, что там возможны и более сложные биохимические процессы. Ученые подчеркивают, что мы пока не знаем всего разнообразия планетных архетипов, и если сосредоточиться только на двойниках Земли, можно упустить целые классы миров, где жизнь могла бы возникнуть по иным законам химии.
Авторы работы уже планируют следующие шаги. Они хотят проверить поведение более длинных пептидов и изучить искусственную молекулу, пептидную нуклеиновую кислоту, которая может служить альтернативой ДНК в кислой среде. Также они намерены выяснить, сохраняется ли омега-петля у более крупных белковых фрагментов. Эти эксперименты помогут понять, насколько сернокислотные облака Венеры действительно могут быть «колыбелью» для простейших форм жизни, пусть и не похожих на земные.
Главный вывод исследования заключается в том, что серная кислота не является абсолютным барьером для органической химии. В условиях венерианских облаков пептиды не только не разрушаются, но и способны принимать стабильные свернутые формы, которые в принципе могут выполнять биологические функции. Это означает, что поиск жизни во Вселенной не должен ограничиваться планетами с водой, так как даже в казалось бы враждебных средах могут существовать молекулярные структуры, готовые к эволюции.
Научная публикация:
Hong, Mei et al, Peptides adopt stable omega-loop structures in concentrated sulfuric acid, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2618039123.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
