Собрать РНК из «неживых» строительных кирпичиков и без помощи ферментов — это реально

Гипотезу о происхождении жизни на Земле из “мира РНК” многие ведущие ученые планеты считают сегодня одной из основополагающих. В основе процесса возникновения и развития жизни лежит передача наследственной информации с учетом произошедших изменений. А необходимые для синтеза биологических макромолекул химические вещества могли попасть на нашу планету из космических просторов с метеоритными дождями. Неясным в свете теории «мира РНК» до последнего времени оставался вопрос о способе синтеза пуринов — одного из ключевых компонентов ДНК, РНК и энергетического метаболизма любой клетки. Ученым Мюнхенского университета Людвига–Максимилиана удалось синтезировать пурины в лабораторных условиях, которые были приближены к тем, которые существовали на Земле «в начале времен» и при этом обойтись без участия сложных ферментов.

Рибонуклеиновые кислоты вполне подходят на роль первоисточника жизни, поскольку способны хранить и копировать информацию, попутно допуская нейтральные, вредные или полезные мутации. Вместе с тем, говоря о ДНК мы предполагаем, что для ей для копирования все же требуется помощь белков, в то время как РНК вполне способна выступить в роли фермента и участвовать в определенных химических реакциях. Более того, молекулы РНК вполне способны нарастить рибонуклеотидную цепь, другими словами РНК способна синтезировать РНК. Так выстраивается картина «мира РНК», следуя которой источником жизни на Земле стал своего рода первичный химический суп, заполненный древнейшими РНК, которые копировали сами себя.

Как и у любой гипотезы, претендующей на истинность, у описанной концепции имеются последователи и противники. Так согласно одному из возражений реакции с участием РНК должны происходить не в некоем абстрактном бескрайнем первичном океане, а в определенных микроячейках, своего рода микрореакторах, создающих липидные мембраны. В свою очередь, для создания таких мембран уже потребуются белки, которых в те стародавние времена еще не было. Сторонники концепции происхождения жизни из РНК возражают, что согласно последним исследованиям на роль таких химических реакторов могли бы претендовать микропоры в минеральных породах на дне древнего океана.

Еще один, вопрос, который любят задавать противники гипотезы “мира РНК”: откуда, собственно, взялось низкомолекулярное сырье для самих РНК-полимеров? Как известно, мономеры РНК – рибонуклеотиды со сложной структурой, синтезируемые в современных лабораториях с участием белков. На каком то этапе была высказана версия, что жизнь на нашей планете возникла благодаря некоторым металлическим катализаторам, вступающих на некотором начальном этапе в метаболические реакции. Спустя время следствием этих реакций и стало возможно создание “полуфабрикатов” для дальнейшего синтеза высших биомолекул.

Но, благодаря исследованиям выяснилось, что древнейшие РНК оказались вполне самостоятельными и способными обойтись без помощи каких-либо катализаторов. В 2009 году Джон Сазерленд (John Sutherland) из университета Кембриджа совместно с коллегами опубликовал статью, в которой утверждал, что ряд кирпичиков для РНК могут быть созданы из ацетилена и формальдегида, без участия любых катализаторов. Для протекания реакции в нужном направлении оказалось достаточно воспроизвести условия, соответствующие представлению ученого сообщества о первичном “земном супе”.

В минувшем году на страницах издания Nature Chemistry Сазерленд опубликовал статью, в которой говорилось, что для синтеза протокирпичиков нуклеиновых кислот вполне достаточно присутствия цианистого водорода (HCN), сероводорода (H2S) и ультрафиолетового излучения.

Но, нельзя не обратить внимание, что синтезировать “полуфабрикаты” для РНК из элементарных протоисторических материалов удалось не для всех мономеров-рибонуклеотидов. Как известно, в составе РНК — соединения присутствуют азотистые основания – аденин (A), гуанин (G), цитозин ( C ) и урацил (U) – именно они и есть те самые генетические буквы, кодирующие наследственную информацию (в ДНК всё то же, только вместо урацила – тимин (T)). Химически они отличаются, цитозин и урацил относятся к пиримидиновым основаниям, аденин и гуанин – к пуриновым. Схема синтеза, которую предложил Сазерленд и его группа, работала для пиримидинов, но не подходила для пуринов или же, с повторением комплекса исходных условий возникновения жизни, позволяла получить крайне незначительное количество пуринов.

Разрешить противоречие удалось Томасу Карреллу (Thomas Carell) и его коллегам из Мюнхенского университета Людвига–Максимилиана, много лет занимающимся химическими модификациями нуклеиновых кислот. На одном из этапов исследований ученые обнаружили, что одна из модификаций пиримидина — формамидопиримидин (FaPy), реагирующий с ДНК, способен превращаться в пуриновые основания. Осталось совсем немного — проверить, возможно ли воспроизвести те же реакции, но в «протоисторических» условиях.

В статье от 13 мая 2016 года, опубликованной в журнале Science и рассказывающей о работе Каррелла отмечается, что пурины для РНК действительно можно получить, имея на руках только водород, цианид и воду. Правда, для того чтобы сделать реакцию направленной и получить именно те промежуточные соединения которые могли бы превратиться в пурины, пришлось подкислить реакционную среду, что в целом никак не противоречило начальным условиям эксперимента. Получившийся в результате промежуточный продукт, аминопиримидин, достаточно охотно среагировал с муравьиной кислотой или с формамидом, а после – с сахарами, в результате чего получалось множество пуриновых оснований. Муравьиная кислота и формамид были обнаружены в прошлом году аппаратом «Розетта» на комете 67P/Чурюмова – Герасименко, что говорит о том, что эти реагенты вполне могли быть “доставлены” к нам из глубин космоса.

Подводя итог можно сказать, что исходя из концепции, предложенной учеными на основании обнаруженных инструментов и результатов проведенных экспериментов, можно сделать вывод: жизнь на планету Земля вполне могла быть занесена из просторов Вселенной, и, что важно, не в виде магического семени, простейшей бактерии или готовой биологической молекулы, а в виде элементарного строительного химического сырья. Так, например, тот же цианистый водород в высоких концентрациях присутствует в метеоритах, которые обильно сыпались на поверхность нашей планеты сотни миллионов лет назад.

Помимо пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, в составе рибонуклеотидов следует упомянуть рибозу и фосфорную кислоту, но они устроены проще, а про сахара достаточно давно известно, что они вполне могут синтезироваться абиогенным путём, причем даже в «звёздных» условиях. Таким образом, последние исследования позволили существенно и кардинально дополнить существующие представление о “технологии” возникновения жизни на планете и показать, что этот процесс возможно воспроизвести используя элементарное химическое сырье, без необходимости участия сложных ферментов.

Правда, открытым пока остается не менее ответственный вопрос: как, а главное, почему вдруг вообще стали появляться первые РНК, почему рибонуклеотидные кирпичики-мономеры со знакомыми нам буквенными обозначениями A, G, C и U начали объединяться, даже если предположить, что все они оказались в одном и том же месте в одно и то же время??