Теперь исследователи, работающие с этой гипотезой, достигли значительного прогресса в понимании эволюционной загадки — как компоненты РНК и ДНК образовывались из химических веществ, присутствовавших на ранней Земле до появления жизни.В ходе удивительно простых лабораторных реакций в воде в повседневных условиях они создали то, что могло бы стать хорошими кандидатами на недостающие звенья на пути к коду жизни.И когда эти компоненты соединились, результат даже выглядел как РНК.
По мере продвижения работы исследователей можно было бы выявить, что большая часть первоначальной химии, которая привела к жизни, возникла не в огненных катаклизмах и в скудных количествах, а в изобилии и постепенно на тихих, залитых дождем грязных равнинах или прибрежных скалах, омываемых волнами.В свою очередь, их работа могла бы расширить наше понимание вероятности существования жизни в другом месте Вселенной.
Исследования Центра химической эволюции NSF / NASA со штаб-квартирой в Технологическом институте Джорджии щедро финансируются за счет гранта Национального научного фонда и НАСА. Последние результаты были опубликованы 25 апреля 2016 года в Nature Communications.Преследуя происхождение РНК, близкого химического родственника ДНК, исследовательская группа под руководством Николаса Хада, профессора Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии и директора CCE, работала с парой потенциальных химиков. предки азотистых оснований РНК.
Примерно полвека ученые выдвинули гипотезу о том, что жизни, которая использует ДНК для хранения генетической информации, предшествовали формы жизни, которые очень широко использовали РНК. А у РНК мог быть предшественник, прото-РНК, с разными, но похожими нуклеотидами («N» в РНК).
«Ранняя Земля была грязной лабораторией, где, вероятно, производилось много молекул, подобных тем, которые необходимы для жизни. Некоторые выжили и процветали, а другие в конечном итоге исчезли», — сказал Хад. «То же самое и с предками РНК».Используя две молекулы, известные как барбитуровая кислота и меламин, исследователи сформировали протонуклеотиды, настолько сильно напоминающие два нуклеотида РНК, что возникает соблазн предположить, что они действительно являются их предками.По словам Хада, этих двух ингредиентов было бы достаточно для реакций на пребиотической Земле. «И они хорошо подошли бы для примитивного кодирования информации», — добавил он.
Из-за сходства и свойств некоторые ученые уже предположили наследственную роль меламина и барбитуровой кислоты.Но ученые CCE пока не спешат с этим выводом.
«Чтобы заявить о своем происхождении, нам нужно будет показать механизм, с помощью которого эти нуклеотиды, которые мы создали в лаборатории, могут превратиться в существующие нуклеотиды в РНК», — сказал Рам Кришнамурти, сотрудник Хада из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния. «Это сложный путь, который мы должны были бы, по крайней мере, спроектировать на бумаге, а нас там нет».Тем не менее, он очень доволен результатами. «Есть бесчисленное количество возможностей того, как этот механизм мог возникнуть. Барбитуровая кислота и меламин, возможно, были заместителями, которые выпали и позволили аденину и урацилу объединиться с рибозой».
Выяснение того, как аденин и урацил (нуклеотидные основания, встречающиеся сегодня в РНК) в сочетании с сахарной рибозой (соответствующей букве «R» в РНК), может ответить на один из важнейших вопросов химической эволюции.Образование нуклеотидов из возможных прото-нуклеиновых оснований и рибозы знаменует собой значительный прогресс в исследованиях происхождения жизни.Нуклеооснования были объединены с другими сахарами в прошлых исследованиях, но эффективность реакций, обнаруженных в этом исследовании, намного выше, чем в прошлом.
«Мы приближаемся к молекулам, которые выглядят так, как жизнь могла выглядеть на ранних стадиях», — сказал Кришнамурти.Ряд сюрпризов повысил научную значимость этих реакций.Во-первых, они произошли быстро, и полученные нуклеотиды спонтанно спонтанно сплотились друг с другом в воде, образуя водородные связи, подобные парам оснований Уотсона-Крика, которые создают структуру «лестницы-ступеньки» внутри спиралей РНК и ДНК.Затем мономеры образовали длинные супрамолекулярные комплексы, которые выглядят как нити РНК при просмотре под микроскопом с высоким разрешением.
До сих пор не сообщалось о химической реакции, которая при обычных обстоятельствах приводила бы к образованию существующих компонентов РНК, которые спонтанно образуют пары Крика-Ватсона в воде.И до сих пор не было сообщений о подобной паре нуклеотидов, подобных тем, которые производятся с барбитуровой кислотой и меламином, которые ведут себя подобным образом, что делает эту пару первой.«Это работает даже лучше, чем мы думали», — сказал Хад. «Это почти слишком просто».
Был один небольшой нюанс.«Реакция не работает, если барбитуровая кислота и меламин присутствуют в одном растворе до реакции с рибозой, потому что их сильное притяжение друг к другу может вызвать их выпадение в осадок», — сказал Хад. Итак, ученые завершили реакцию с барбитуровой кислотой отдельно от реакции с меламином.Но это не должно было оказаться запретительным на пребиотической Земле.
Нуклеотиды барбитуровой кислоты и меламина могли образовываться в разных местах, даже в одном и том же пруду. И их вполне могло быть много.«Эти реакции исключительно продуктивны, особенно если вы сравните их с аналогичными реакциями с существующими компонентами РНК, которые не производят никаких нуклеотидов в тех же условиях», — сказал Хад.Если бы меламин и барбитуровая кислота образовали свои соответствующие нуклеотиды (C-BMP для барбитуровой кислоты и MMP для меламина) в отдельных лужах на ранней Земле, то дождь мог бы легко смыть компоненты вместе, где они бы быстро собрались в то, что могло бы быть предшественник прото-РНК.
«Вопрос в том, могут ли эти самосборки превратиться в то, что составляет сегодняшнюю жизнь», — сказал Кришнамурти.Исследователи надеются, что их работа поможет расширить подход научного сообщества к химической эволюции.«Если вы хотите посмотреть, что вызвало эти свойства жизни, вам нужно вернуться назад и рассмотреть все другие молекулы, которые могли бы присутствовать, и посмотреть, как они способствовали бы молекулам, которые присутствуют в жизни сегодня», — сказал Кришнамурти.Их работа также может служить основой для важных практических приложений, таких как создание ДНК или РНК-подобных полимеров, которые могут привести к производству передовых материалов и терапевтических агентов.
Химические реакции, которые производят барбитуровую кислоту и нуклеотиды меламина, не требуют использования ферментов и экстремальных параметров, таких как высокая температура и давление. Напоминающие химию щелчков, они могут способствовать безопасному, рентабельному и массовому промышленному производству.