Химические реакции «происхождения жизни»

«Мы думаем, что описанные нами реакции, вероятно, могли произойти на ранней Земле», — говорит Раманарайан Кришнамурти.

В результате реакции образуются строительные блоки белков и ДНК: аминокислоты и нуклеиновые кислоты.

Первобытный бульон

Четыре миллиарда лет назад Земля выглядела совсем иначе, чем сегодня. Он был лишен жизни и покрыт огромным океаном. В течение миллионов лет в этом первобытном бульоне зарождалась жизнь. В течение долгого времени исследователи теоретизировали, как молекулы объединились, чтобы вызвать этот переход. Теперь ученые из Scripps Research обнаружили новый набор химических реакций, в которых используются аммиак, цианид и углекислый газ — все они считаются обычными на ранней Земле — для образования аминокислот и нуклеиновых кислот, строительных блоков белков и ДНК.

«Мы придумали новую парадигму, чтобы объяснить этот переход от пребиотической к биотической химии», — говорит Раманараянан Кришнамурти, доктор философии и адъюнкт-профессор химии в Scripps Research. «Мы думаем, что описанные нами реакции, вероятно, могли произойти на ранней Земле». Кришнамурти — ведущий автор новой статьи, опубликованной в журнале Nature Chemistry 28 июля 2022 года.

Недавно открытые химические реакции не только дают ученым представление о химии ранней Земли, но и полезны в некоторых производственных процессах. Например, при создании биомолекул с индивидуальной маркировкой из недорогих исходных материалов.

Ранее в этом году команда Кришнамурти показала, как цианид может запускать химические реакции, которые превращают пребиотические молекулы и воду в основные органические соединения, необходимые для жизни. Этот работал при комнатной температуре и в широком диапазоне pH, в отличие от ранее предложенных реакций. Ученые задались вопросом, можно ли в тех же условиях генерировать аминокислоты, представляющие собой более сложные молекулы, из которых состоят белки во всех известных живых клетках.

Сегодня в клетках аминокислоты генерируются из предшественников, называемых α-кетокислотами, с использованием как азота, так и специализированных белков, называемых ферментами. Ученые обнаружили доказательства того, что α-кетокислоты, вероятно, существовали в начале истории Земли. Однако многие исследователи выдвинули гипотезу, что до появления клеточной жизни аминокислоты должны были генерироваться из совершенно других предшественников, альдегидов, а не α-кетокислот, поскольку ферментов для осуществления превращения еще не существовало. Но эта идея вызвала споры о том, как и когда произошел переход от альдегидов к α-кетокислотам как ключевому ингредиенту для производства аминокислот.

Превращение α-кетокислоты в аминокислоты

После успеха в использовании цианида для управления другими химическими реакциями группа Кришнамурти заподозрила, что цианид, даже без ферментов, может также помочь превратить α-кетокислоты в аминокислоты. Поскольку они знали, что в той или иной форме потребуется азот, они добавили аммиак — форму азота, которая должна была присутствовать на ранней Земле. Затем путем проб и ошибок они обнаружили третий ключевой ингредиент: углекислый газ. С этой смесью они быстро начали формировать аминокислоты.

«Мы ожидали, что разобраться в этом будет довольно сложно, а оказалось, что это даже проще, чем мы себе представляли», — говорит Кришнамурти. «Если вы смешаете только кетокислоту, цианид и аммиак, он просто останется там. Как только вы добавляете углекислый газ, даже следовые количества, реакция ускоряется».

• Поскольку новая реакция относительно похожа на то, что происходит внутри клеток сегодня, за исключением того, что она вызвана цианидом, а не белком, скорее всего, она является источником ранней жизни, а не радикально отличается от реакции, говорят ученые.
• Исследование также помогает объединить две стороны давних споров о важности углекислого газа для ранней жизни, делая вывод, что углекислый газ был ключевым, но только в сочетании с другими молекулами.
• В процессе изучения их химического супа Кришнамурти и его коллеги обнаружили, что побочным продуктом той же реакции является оротат, предшественник нуклеотидов, составляющих ДНК и РНК. Это указывает на то, что один и тот же первичный бульон при правильных условиях мог дать начало большому количеству молекул, необходимых для ключевых элементов жизни.

«То, что мы хотим сделать дальше, — это продолжить исследовать, какая химия может появиться из этой смеси», — говорит Кришнамурти. «Могут ли аминокислоты начать формировать небольшие белки? Может ли один из этих белков вернуться и начать действовать как фермент, чтобы производить больше этих аминокислот?»

Помимо Кришнамурти, авторами исследования «Пребиотический синтез α-аминокислот и оротата из α-кетокислот потенцирует переход к существующим метаболическим путям» являются Сунил Пуллетикурти, Махипал Ядав и Грег Спрингстин.

Эта работа была поддержана финансированием Центра химической эволюции NSF (CHE-1504217), грантом НАСА по экзобиологии (80NSSC18K1300) и грантом Фонда Саймонса (327124FY19).

Источник

Метки: Биохимия