Одна из главных научных проблем, над которой работают ученые по всему миру, — происхождение жизни на Земле. За последние десятилетия в этой области достигнуто немало успехов, например разработана концепция РНК-мира. Однако до сих пор неизвестно, как именно возникли молекулы, послужившие первыми «кирпичиками» жизни. В журнале Science вышла статья, отвечающая, пожалуй, на самый важный вопрос: откуда взялись нуклеотиды, из которых состоит РНК. «Лента.ру» раскрывает подробности исследования и рассказывает о его значении.
Согласно современным научным представлениям, жизнь зародилась благодаря органическим соединениям, которые реагировали друг с другом, создавая ключевые молекулы — нуклеозиды. Нуклеозид, как известно, образован сахаром рибозой или дезоксирибозой и одним из пяти азотистых оснований: аденином, гуанином, тимином, цитозином или урацилом. Нуклеозиды — предшественники нуклеотидов, из которых, в свою очередь, состоят ДНК и РНК. Чтобы нуклеозид превратился в нуклеотид, необходим дополнительный компонент — остатки фосфорной кислоты.
Почему на первый план выходят именно нуклеозиды? На этот вопрос отвечает научная концепция, известная как гипотеза РНК-мира и полагающая, что именно РНК стояла у истоков зарождения жизни. Молекулы рибонуклеиновых кислот первыми осуществили катализ химических реакций в первичном бульоне, научились копировать себя и друг друга и, что самое главное, нести в себе наследственную информацию. Такие РНК называются рибозимами. Если какая-нибудь молекула РНК обладала способностью синтезировать свои собственные копии, то это свойство передавалось из поколения в поколение. Иногда копированию сопутствовали ошибки, в результате чего новые РНК обзаводились мутациями.
Мутации могли серьезно навредить каталитическим свойствам молекул, но могли и изменить РНК, наделив ее новыми способностями. Например, ученые обнаружили, что некоторые мутации ускоряют процесс самокопирования, и измененные рибозимы через некоторое время начинают доминировать над «нормальными». Молекулярные биологи под руководством Брайана Пегеля из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии наблюдали, как ферментативная активность рибозимов в процессе трехдневной эволюции в условиях лаборатории увеличилась в 90 раз. Поэтому даже если рибозимы изначально не отличались особой активностью, молекулярная эволюция могла превратить их в идеальные каталитические машины.
Тем не менее гипотеза РНК-мира наталкивается на ряд трудностей. Например, неизвестно, как мог происходить абиогенный, то есть без участия живых организмов, синтез первых рибозимов. Хотя в пользу РНК-мира найдено множество аргументов, ключевой вопрос — как он возник — остается камнем преткновения.
Некоторые ученые предполагают, что химические соединения, из которых сформировались нуклеозиды, не могли возникнуть в земных условиях, а были занесены на планету из космоса. Стоит заметить, однако, что проблема связана именно с пуриновыми нуклеозидами — аденозином и гуанозином, содержащими аденин и гуанин соответственно. Для пиримидиновых молекул, содержащих цитозин, тимин или урацил, известны пути синтеза, которые вполне могли бы существовать при зарождении жизни. Химические реакции, действующие по принципу домино, приводят к образованию большого количества необходимых пиримидинов.
Ученые предложили возможный путь образования пуриновых нуклеозидов, однако он способен привести к появлению многих других соединений, среди которых нужные нуклеозиды составляли бы лишь малую долю. Просто отмахнуться от пуринов не получится, поскольку они не только неотъемлемые компоненты РНК и ДНК, но также образуют аденозинтрифосфат (АТФ), участвующий в обмене энергии и веществ в организме, и гуанозинтрифосфат, служащий источником энергии для синтеза белка.
Простой путь образования такого нуклеозида, как аденозин, — соединение аденина с рибозой в присутствии NH4OH. Рибоза присоединяется к одному из атомов азота аденина, вот только у него их несколько, и лишь азот в девятом положении должен участвовать в синтезе аденозина. Кроме того, оказывается, что этот атом азота не очень-то и реакционноспособен. Значит, если гипотеза РНК-мира верна (что более чем вероятно), должен существовать какой-то другой способ синтеза аденозина и гуанозина в первичном бульоне.
В новом исследовании ученые предложили другой путь синтеза пуриновых нуклеозидов, решающий проблему и усиливающий позицию концепции мира РНК. Все начинается с молекул аминопиримидина, которые легко формируются из такого простого соединения, как NH4CN. Происходит это через образование гуанидина, он затем реагирует с аминомалонитрилом, в результате чего возникает молекула тетрааминопиримидина. Она легко окисляется в кислородсодержащей среде, однако остается стабильной в бескислородной атмосфере, характерной для Земли до зарождения жизни. Кроме тетрааминопиримидина, могут образовываться и другие похожие молекулы: триаминопиримидинон и триаминопиримидин. Все эти соединения хорошо растворимы в воде.
Самое важное, у всех трех аминопиримидинов реакционноспособен только определенный атом азота, и это решает проблему участия в реакции других атомов, что характерно для аденина. Подкисленная среда приводит к тому, что атомы азота в кольце присоединяют протоны и блокируют все внешние аминогруппы, кроме одной, находящейся в пятой позиции. При нагревании смеси аминопиримидинов и муравьиной кислоты образуется лишь одно возможное соединение — формамидопиримидин. Выход продукта в реакции составляет от 70 до 90 процентов.
Формамидопиримидин, несмотря на свою схожесть с пуринами, лишен их недостатков. Атом азота в девятом положении, как выяснилось, наиболее реакционноспособен, и реакция с рибозой в щелочной среде всегда приводит к одному и тому же результату: синтезу углеродных скелетов для пуриновых нуклеозидов. Интересно, что формамидопиримидин активно участвует в образовании рибозы из гликольальдегида и глицеральдегида, облегчая синтез нуклеозидов в аммиачной среде. В общем, ученым удалось открыть путь формирования предшественников нуклеотидов из простейших производных аммиака. Такие производные были недавно найдены на комете Чурюмова — Герасименко, что подтверждает точку зрения об активном участии комет в снабжении Земли всем необходимым для возникновения жизни.
Однако химическая эволюция вызывает еще множество вопросов, и чтобы на них ответить, потребуются усилия исследователей всего мира. Полная картина абиогенеза должна описывать не только возникновение нуклеотидов и других органических молекул без участия живых организмов, но и их взаимодействие в условиях ранней Земли, взаимодействие, которое привело к формированию первых клеток.