Пробуждение жизни: как РНК и аминокислоты соединились в первобытном супе
Ученые впервые наблюдали в лабораторных условиях ключевой этап, который мог стать отправной точкой для возникновения жизни на Земле около 4 миллиардов лет назад — спонтанное соединение молекул РНК и аминокислот. Этот прорывный эксперимент, проведенный химиками из Университетского колледжа Лондона под руководством Джоти Сингха и Мэтью Паунера, воссоздал условия ранней Земли и позволил смоделировать процесс, ранее считавшийся невозможным в водной среде с нейтральным pH. Результаты исследования, опубликованные в авторитетном научном журнале Nature, открывают новые горизонты в понимании происхождения жизни и биологических механизмов, лежащих в основе синтеза белков.
Современная биология полагается на сложную молекулярную машину — рибосому — для синтеза белков. Этот процесс начинается с того, что матричная РНК (мРНК) переносит генетическую информацию с ДНК к рибосоме, которая затем «читает» последовательность нуклеотидов и соединяет соответствующие аминокислоты в цепочку, формируя белок. Однако ученые давно задаются вопросом, как мог возникнуть этот механизм в условиях примитивной Земли, где не существовало ни рибосом, ни сложных клеточных структур. Именно этот вопрос лежит в основе гипотезы так называемого «мира РНК» — идеи, согласно которой РНК была первой самовоспроизводящейся молекулой, способной одновременно хранить генетическую информацию и катализировать химические реакции.
Однако для появления полноценной жизни необходимо было не только наличие РНК, но и ее взаимодействие с аминокислотами — строительными блоками белков. Белки, в отличие от нуклеиновых кислот, не могут самовоспроизводиться: их синтез зависит от инструкций, закодированных в последовательностях РНК. Следовательно, на ранних этапах эволюции молекулы РНК и аминокислот должны были найти способ соединяться без участия сложных ферментов и клеточных механизмов. Проблема заключалась в том, что такие реакции требуют значительного количества энергии, а в водной среде, характерной для первичной Земли, большинство высокореакционноспособных молекул быстро разлагаются, что делает процесс крайне неэффективным.
Исследователи решили эту проблему, обратившись к биохимическим принципам и использовав в качестве энергетического посредника тиоэфир — соединение, содержащее серу, углерод, кислород и водород. Тиоэфиры, в частности тиоэстеры, известны своей высокой реакционной способностью и играют важную роль в современных метаболических путях, например, в синтезе пептидов и энергетическом обмене. Ученые предположили, что такие молекулы могли быть широко распространены в «первичном органическом бульоне» — гипотетической среде, в которой формировались первые биомолекулы. Эта идея легла в основу альтернативной концепции, известной как «мир тиоэфиров», которая предполагает, что до появления РНК в химической эволюции доминировали именно серосодержащие соединения, обеспечивавшие энергию для зарождения жизни.
В ходе эксперимента команда воссоздала модельную среду, имитирующую условия древней Земли, и включила в нее РНК, аминокислоты и тиоэстеры. В этих условиях произошло спонтанное и избирательное связывание аминокислот с молекулами РНК — процесс, который ранее считался невозможным без сложных катализаторов. Это открытие стало важным прорывом, поскольку оно демонстрирует, как две ключевые молекулярные системы — нуклеиновые кислоты и белки — могли начать взаимодействовать еще до появления клеток и генетического кода.
Особую значимость результатам придает то, что реакция протекала в водной среде при нейтральном pH, что делает ее химически правдоподобной для условий ранней планеты. Кроме того, процесс оказался избирательным: аминокислоты присоединялись к РНК, а не вступали в побочные реакции между собой, что критически важно для формирования упорядоченных биомолекулярных структур. Таким образом, исследование не только воссоздает возможный этап химической эволюции, но и объединяет две важные гипотезы происхождения жизни — «мир РНК» и «мир тиоэфиров» — в единую, более целостную картину.
Мэтью Паунер подчеркивает, что понимание того, как жизнь научилась синтезировать белки, является ключом к разгадке самого происхождения жизни. Хотя до создания самовоспроизводящейся системы еще далеко, данный эксперимент демонстрирует, как простые молекулы могли начать взаимодействовать, формируя основу для будущих биологических процессов. Джоти Сингх сравнивает этот процесс с конструированием из деталей Lego: если взять базовые элементы — атомы углерода, азота, водорода, кислорода и серы — и правильно их соединить, можно получить молекулы, способные к саморепликации и функциональной активности.
Тем не менее, ученые признают, что это лишь первый шаг. Следующий этап — выяснить, могла ли РНК проявлять избирательность в выборе аминокислот, что стало бы предпосылкой для формирования генетического кода. Если удастся показать, что определенные последовательности РНК преимущественно связываются с конкретными аминокислотами, это может пролить свет на то, как возникла система кодонов — основа всей современной биологии.
В целом, данное исследование представляет собой важный вклад в изучение химических основ жизни. Оно не только подтверждает жизнеспособность существующих теорий, но и предлагает конкретный механизм, объясняющий, как могла начаться молекулярная кооперация, приведшая к появлению живых организмов. Хотя полная картина происхождения жизни еще далека от завершения, этот эксперимент приближает науку к пониманию одного из самых фундаментальных вопросов: как из неживой материи возникла жизнь.