Химики воспроизвели критический момент зарождения жизни

Спонтанное слияние молекул, которое привело к возникновению жизни на первичной Земле около 4 миллиардов лет назад, наконец-то удалось наблюдать в лабораторных условиях. Новое исследование опубликовано в журнале Nature.

Воссоздав вероятные условия нашей новорожденной планеты, химики соединили РНК и аминокислоты — это был важный первый шаг, который в конечном итоге привел к быстрому распространению живых организмов, которые сегодня ползают по всей Земле.

Экспериментальная работа может дать важные подсказки о происхождении одной из важнейших биологических взаимосвязей: между нуклеиновыми кислотами и белками.

«Сегодня жизнь использует для синтеза белков невероятно сложную молекулярную машину — рибосому. Этой машине требуются химические инструкции, записанные в матричной РНК, которая переносит последовательность гена из ДНК клетки в рибосому. Затем рибосома, подобно заводскому конвейеру, считывает эту РНК и соединяет аминокислоты одну за другой, создавая белок», — объясняет химик Мэтью Паунер из Университетского колледжа Лондона. «Мы завершили первую часть этого сложного процесса, используя очень простую химию в воде с нейтральным pH для связывания аминокислот с РНК. Эта химия носит спонтанный, избирательный характер и могла возникнуть на ранней Земле».

Хотя мы знаем, что жизнь, должно быть, выползла из первозданной земной грязи – в конце концов, мы здесь – учёные не так уверены в том, как это произошло. Одна из развивающихся школ рассматривает РНК как самовоспроизводящуюся нуклеиновую кислоту, которая, благодаря своей способности выполнять механическую работу, может катализировать другие химические реакции. Это известно как гипотеза мира РНК.

Белки не могут самовоспроизводиться; инструкции по точной последовательности аминокислот закодированы в последовательностях нуклеиновых кислот, таких как РНК.

Таким образом, хотя белки играют важную роль во многих биологических процессах, молекулы нуклеиновых кислот служат важнейшей матрицей для их синтеза. Тем не менее, это означает, что двум молекулярным компонентам необходимо было найти способ соединиться во влажных и влажных условиях ранней Земли.

«Жизнь основана на способности синтезировать белки – ключевые функциональные молекулы жизни. Понимание происхождения синтеза белков имеет основополагающее значение для понимания происхождения жизни», – говорит Паунер. «Наше исследование — большой шаг на пути к этой цели, показывающий, как РНК могла впервые начать контролировать синтез белка».

Было предпринято множество попыток воспроизвести естественную коалесценцию аминокислот и РНК. Этот процесс требует высокоэнергетического медиатора, и предыдущие исследования показали, что некоторые высокореакционноспособные молекулы не подходят для этой цели, поскольку они склонны разрушаться в воде, что приводит к реакции аминокислот друг с другом, а не с РНК.

Под руководством химика Джоти Сингха из Университетского колледжа Лондона исследовательская группа обратилась к биологии. В качестве посредника они использовали тиоэфир – высокоэнергетическое, высокореакционноспособное соединение, содержащее углерод, кислород, водород и серу – четыре из шести элементов, считающихся жизненно важными.

Известно, что тиоэфиры играют ключевую промежуточную роль в некоторых биологических процессах и, как полагают, были в изобилии представлены в «первичном органическом бульоне». Некоторые учёные считают, что их распространение предшествовало появлению мира РНК, что известно как гипотеза мира тиоэфиров.

В своем моделированном органическом супе исследователи обнаружили, что тиоэстер обеспечивал необходимую внешнюю энергию, позволяющую аминокислоте связываться с РНК — весьма значительный прорыв, который четко объединяет две гипотезы.

«Наше исследование объединяет две известные теории происхождения жизни — «мир РНК», в которой самореплицирующаяся РНК считается фундаментальной, и «мир тиоэфиров», в котором тиоэфиры рассматриваются как источник энергии для самых ранних форм жизни», — говорит Паунер.

Если говорить точнее, мы всё ещё весьма далеки от детального и всеобъемлющего понимания происхождения жизни. Новое исследование показывает, что эти компоненты могут взаимодействовать с высокоэнергетическим посредником; следующий шаг — выяснить, будет ли РНК преимущественно связываться с определёнными аминокислотами, способствующими возникновению генетического кода.

«Представьте себе день, когда химики смогут взять простые, небольшие молекулы, состоящие из атомов углерода, азота, водорода, кислорода и серы, и из этих деталей Lego сформировать молекулы, способные к саморепликации. Это станет монументальным шагом на пути к решению вопроса о происхождении жизни», — говорит Сингх. «Наше исследование приближает нас к этой цели, демонстрируя, как два первичных химических элемента Lego (активированные аминокислоты и РНК) могли построить пептиды — короткие цепочки аминокислот, которые необходимы для жизни».