«Упрощенные белки» открывают биохимические истоки ранней Земли

Фото из открытых источников

Когда исследователи смотрят на небо и задаются вопросом, не одиноки ли мы в своем существовании, они также понимают, что происхождение жизни на Земле может содержать ключ к разгадке. Хаотичный химический «суп» нашего раннего мира в конечном итоге привел к поразительной сложности современной жизни, но как именно она зародилась? 

Белки были одним из ключевых компонентов в первые годы, но мы до сих пор только начинаем понимать, как эти чудеса современной биологии впервые смогли сворачиваться, функционировать и выживать. В недавно опубликованной в журнале Trends in Chemistry обзорной статье «Границы сворачиваемости: уроки упрощенных белков» показано, как ученые пытаются ответить на этот вопрос, исследуя «упрощенные белки».

Современные белки, как известно, чрезвычайно сложны. Каждый из них состоит из комбинации двадцати различных аминокислот. Но крайне маловероятно, что ранняя Земля имела доступ ко всем двадцати этим строительным блокам белков. Самые ранние пептиды, вероятно, были короткими, простыми и состояли только из пептидов, которые либо были созданы естественным образом в окружающей среде, либо произведены живыми организмами с очень примитивным метаболизмом. Конечно, мы не можем точно откопать древние окаменелости ранних белков или аминокислот, чтобы доказать это, но это кажется разумным предположением.

Для имитации этой упрощенной среды ученые проводят так называемое «сокращение алфавита», перестраивая белки с использованием ограниченного алфавита, состоящего всего из 7-14 аминокислот. И то, что им удается создать с таким ограниченным набором инструментов, все равно поразительно. Ученые создали белки, которые успешно сворачиваются в трехмерные структуры, полностью исключая при этом целые классы сложных строительных блоков, таких как простые или ароматические аминокислоты.

Это доказывает, что для формирования основных структур белков, необходимых для возникновения жизни, требуется поразительно мало информации. «Пребиотического» алфавита, состоящего примерно из десяти аминокислот, более чем достаточно, чтобы запустить процесс создания более сложных форм жизни. Одна из самых известных идей в этой области была разработана еще в 1966 году Ричардом Эком и Маргарет Дейхофф, которые выдвинули гипотезу о том, что древние симметричные белки образовались путем дублирования и слияния коротких простых пептидов. Современная наука более или менее доказала эту идею на практике: ученые наблюдали, как наборы простых пептидов «гомо-олигомеризуются» — по сути, соединяясь, как кирпичики конструктора Lego, образуя симметричные, полностью функциональные белки.

Но на ранней Земле эти белки не могли образоваться в вакууме. Сама окружающая среда, возможно, сыграла активную роль в их поддержании. Несмотря на свою суровость, среда ранней Земли фактически действовала как каркас, помогая поддерживать ранние простые белки, которые сами по себе были лишь «незначительно стабильны». Этому способствовали несколько факторов, включая гиперсоленые океаны, где высокие концентрации соли оказывали внешнее воздействие на стабильность белков, например, за счет «экранирования заряда», которое может заставить белки сворачиваться.

Еще одним потенциальным фактором окружающей среды было присутствие таких соединений, как полиамины и дикатионы (то есть атомы с зарядом +2, например, магний), которые могли действовать как молекулярный клей. Наконец, плотная среда внутри коацервата — концентрированные химические капли, отделявшие ранние формы жизни от окружающей среды до развития клеточных мембран, — могла способствовать как сворачиванию пептидов, так и олигомеризации, которые не происходили бы в более изолированных средах.

Но, пожалуй, самым захватывающим событием в этой области исследований в последнее время стало внедрение искусственного интеллекта. AlphaFold — это мощный инструмент ИИ, способный предсказывать структуру белков и анализировать их сворачивание. Но что еще важнее с космической точки зрения, эти большие языковые модели библиотек белков позволяют нам моделировать то, что могло происходить миллиарды лет назад на Земле, а также активно происходить на Энцеладе или Европе.

Переход от инертного мира, состоящего лишь из химических веществ, к живой, дышащей биосфере, которую мы имеем сегодня, кажется колоссальным. Но, как и большинство других вещей в жизни, он создавался шаг за шагом. Раннее, пребиотическое сворачивание белков было одним из этих критически важных шагов, и изучение того, как это происходило, станет ключом к пониманию этого звена в цепи. Опираться на простые, повторяющиеся химические фрагменты ограниченного числа распространенных химических веществ, поддерживаемые суровой средой, кажется сложной отправной точкой. Но, похоже, именно с этого мы и начали — и об этом стоит помнить, когда мы будем искать другие ранние стадии развития жизни во Вселенной.