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.
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??
