Журнал далеко идущего

Прежде чем обсуждать тонкости пребиотической химии, которые могут возникнуть в криогенной среде с высокой степенью восстановления, мы должны сначала рассмотреть некоторые основные различия между водой и аммиаком как растворителями и то, что это потенциально может означать для жизни, адаптированной к таким условиям. Во-первых, следует отметить, что в то время как аммиак имеет диэлектрическую проницаемость 22, что делает его менее способным растворять полярные соединения, чем вода, которая имеет диэлектрическую проницаемость 80, следует также отметить, что аммиак примерно на десять процентов менее вязок, что делает молекулы, взвешенные в нем, более склонными к взаимодействию. Более эффективно мобилизуя минералы и органические соединения, аммиак значительно более силён по сравнению с водой в качестве растворителя, в котором может происходить пребиотическая химия. Также такое химическое вещество как аммиак имеет более высокую удельную температуру, что приводит к тому, что ему требуется больше энергии, чтобы разорвать свои водородные связи с близлежащими молекулами аммиака и испариться, чем требуется для этого воде, ограничивая передачу жидкого аммиака путём испарения и выпадения осадков. Это в сочетании с тем фактом, что изоляционные свойства плотной, богатой углеродом атмосферы уменьшают колебания температуры атмосферы и, следовательно, снижают потенциал образования ветров, еще больше ограничит перенос аэрозольного аммиака в атмосфере планеты этого типа. Более плотная атмосфера также потребовала бы незначительно большей силы для мобилизации, что сделало бы облака менее способными перемещаться через атмосферные конвекционные потоки и снизило бы вероятность штормов. Однако внешне облака из амиачного пара не будут иметь каких-либо отличий как по внешнему виду так и по истории образования из-за светорассеивающих свойств аммиака и его способности конденсироваться в присутствии любого находящегося в воздухе субстрата ( атмосферных толинов, пылевых частиц и тд ). Практически полное отсутствие штормов и воздушных паров аммиака дальше вглубь крупных массивов суши может служить ограничением для распространения жизни по мере того, как она начнёт осваивать поверхность, не позволяя ей населять среду, где условия окажутся слишком негостеприимными из-за низкой влажности. Ещё одним важным свойством аммиака, заслуживающим обсуждения, является его способность растворять щелочные металлы, осажденные на поверхности в результате криовулканизма. Процесс растворения таких металлов высвободил бы большое количество сольватированных электронов, которые могли бы служить свободно доступным источником энергии для любой жизни, которая может развиться в жидком аммиаке. Наконец, жидкий аммиак имеет относительно высокий рН по сравнению с водой, что делает его довольно враждебной средой для развития самовоспроизводящихся органических молекул из-за чего любые химические основы для сохранения и передачи наследственной генетической информации должна будет оказаться невероятно стабильной по сравнению с ДНК и РНК, чтобы выжить в такой негостеприимной среде, однако как только этот биохимический барьер окажется преодолен местные формы жизни смогут благополучно развиваться в течение своей дальнейшей эволюции и всё более эффективного приспособления к окружающим условиям. Испарение аммиака, как на земле в случае жидкой воды, было бы всемирным явлением. Береговые линии, расположенные под так называемыми "Полярными полосами" чуть выше и ниже экваториального "пояса Толина", были бы наиболее благоприятны для испарения жидкого аммиака, поскольку концентрация органических аэрозолей, блокирующих ультрафиолетовое излучение, была бы ниже по сравнению с концентрацией, наблюдаемой вокруг экватора. Пары аммиака, выделяемые жидкими телами на поверхности, позже вступают в контакт с органическими аэрозолями в тропосфере, конденсируясь в облака. Пары аммиака, присутствующие в полярных полосах, будут переноситься воздушными потоками, генерируемыми циркуляционными ячейками в атмосфере, в пояс Толина, где они будут накапливаться, образуя огромное количество облачного покрова. Аммиачные осадки, образующиеся в этих облаках, будут падать на поверхность, формируя поверхность посредством эрозии и осуществляя образование "дюнных частиц", являющихся невероятно мелкими частиц толина ( часто немногим больше одного микрона в диаметре ), вступающих в контакт с полярными и неполярными растворителями, коалесцирующих с образованием небольших песчинок. Эти конкреции органического материала обладают способностью отражать ультрафиолетовое излучение благодаря невероятно малому размеру входящих в их состав частиц толина, что значительно снижает скорость испарения следовых количеств жидкости, находящейся внутри них. То, что на планетах подобного типа кажется засушливыми пустынями, по сути, представляет собой огромные океаны, удерживающие миллионы литров жидкого аммиака и пропана в триллионах мельчайших капсул. Образование этих дюнных частиц дополнительно аэрирует субстрат, позволяя водороду и другим газам просачиваться через мельчайшие щели между зернами. В отличие от сухих толинов, которые могут образовывать воздухонепроницаемый барьер, препятствующий циркуляции воздуха, эти гранулированные толины обеспечивают богатую среду как для продуктивных микробных, так и для многоклеточных сообществ. Благодаря своим невероятно маленьким размерам толины легко включаются в атмосферу, когда с ними сталкиваются падающие капли дождя, что часто приводит к образованию песчаных бурь вслед за сильными штормами. Эти песчаные бури часто несут с собой столь же мельчайшие одноклеточные организмы, которые дополняют большую часть своего рациона толинами, в которых они обитают. В отсутствие ограничивающих питательных веществ, таких как неорганические молекулы, содержащиеся в растворенных ледяных субстратах, многие находящиеся в воздухе одноклеточные организмы часто переходят в состояние торпора или анабиоза, чтобы сохранить энергию и питательные вещества, пока они снова не окажутся в оптимальных условиях роста на поверхности. Другие редко оказываются в парах аммиачных облаков, обеспечивая их жидкими и аэрозольными питательными веществами в виде растворенных толинов и следовых количеств неорганических молекул, необходимых для продолжения их роста и размножения. Благодаря обильному источнику углерода и азота, имеющемуся в атмосфере, многие виды микроорганизмов процветают в облаках, образуя массивные сообщества того, что обычно называют "аэропланктоном". Чтобы справиться с низким обилием неорганических молекул, производимых внутри земной коры, таких как мурин, многие роды вышеперечисленных представителей аэропланктона чередуются между секвестрированием неорганических веществ на земле в больших количествах и растворенными толинами, попавшими в воздух. Дождь в конечном счете рассеивает этот аэропланктон вместе с питательными веществами, которые они изолировали как в воздухе, так и в неком субстрате, делая осадки важной частью того, как питательные вещества рассеиваются как по наземным, так и по морским экосистемам. Фотохимический распад метана и нитрилов в стратосфере производит среди многих других химических побочных продуктов непропорционально большое количество соединения HCN ( цианистого водорода ). Считается, что HCN когда-то был важным компонентом в образовании аминов ( молекулярных строительных блоков аминокислот ) на пребиотической земле и развивался бы в восстановительной атмосфере Земли аналогично производству HCN на планетах или луна этого типа. Именно здесь пребиотическая история Земли и планет подобного типа начнёт расходиться, и HCN на изначальной земле подвергнется каталитическим реакциям с жидкой водой и другими растворенными неорганическими веществами в присутствии кислорода, образуя более крупные и сложные молекулы, которые позже станут предшественниками липидов, сахаров, белков и пептидов. Однако без обилия жидкой воды на поверхности планеты возникла бы совершенно новая форма биохимии, породившая бы разнообразный массив органических молекул, состоящих в основном из HCN в дополнение к растворенным минералам, нитрилам и углеводородам в отсутствие кислорода ( цианоамины, цианопептиды, циано-протиены, цианосахары и других ). Среди этих самособирающихся молекул должны были бы существовать первые мицеллы. Эти мицеллы будут химически отличаться от фосфолипидных мицелл, которые образовались на земле в ранних океанах, из-за ограничений, которые щелочность и температурный диапазон жидкого аммиака накладывают на формирование и свойства таких структур. Вместо этого наблюдалось, что фторированные ( фторсодержащие ) амины образуют мицеллы в жидком аммиаке в лабораторных условиях и могут служить возможной альтернативой. Вытесненные в результате криовулканизма гидраты постепенно растворялись бы в богатых аммиаком растворах, содержащих сольватированные электроны, что увеличивало бы потенциал реакции настолько, чтобы разорвать неорганические флуриды с их водородными связями. Полученная растворенная мука немедленно включалась бы в окружающий аммиак, где она образовывала бы флурид аммония. Позже это соединение разовьет связи с аминами, полученными из HCN ( которые будут катализироваться вместе с другими органическими молекулами, полученными из HCN, вблизи погруженных криовулканов ), образуя фторированный цианоамин, способный к самосборке в первые мицеллы. Первые фторированные протоклеточные мембраны служили бы для защиты других самовоспроизводящихся и самособирающихся молекул от окружающей среды, а также для увеличения градиента концентрации относительно внешней среды, что еще больше увеличивало бы вероятность образования таких сложных молекул. Первые повторяющиеся, самовоспроизводящиеся молекулы будут состоять из цианоосновных пар, которые будут аналогичны по функции земным парам оснований с основным отличием - составом. Фосфаты не будут присутствовать в том виде, в каком они присутствуют в земной ДНК и РНК, поскольку аридная жизнь не имеет доступа к обильному источнику растворенного кислорода, что привело бы к появлению альтернативной молекулярной основы, состоящей из цианосахаров, чередующихся с молекулами полисульфида, вытесняемыми активными криовулканами и что позволило бы сформировать структуру, устойчивую к высокой щелочности жидкого аммиака в дополнение к сильно восстанавливающей природе атмосферы планет или лун данного типа. Первая одноклеточная жизнь будет иметь мимолетное сходство с теми, которые мы наблюдали на земле, с аналогичной архитектурой, хотя и состоящей из совершенно разных молекулярных компонентов. Такие клетки сохраняли бы фторированные клеточные мембраны первых мицелл в дополнение к внутренним фторированным везикулам, полученным из расширений клеточной мембраны, которая их окружает. Первая из этих клеток будет пассивно поглощать энергию и питательные вещества посредством осмоса, увеличивая количество растворенных веществ в своих мембранах в виде растворенных металлов. Органические соединения, образующиеся в результате фотолиза в верхних слоях атмосферы в дополнение к сольватированным электронам, служили бы формой питания для первых клеток до появления гетеротрофии и биологически опосредованного фотолиза метана ( фотосинтеза ). Первые клетки, скорее всего, будут сильно сконцентрированы вокруг гидротермальных источников, так как концентрация щелочных металлов, высвобождаемых из них, будет выше, чем в окружающей жидкости, что сделает их идеальной средой для секвестрации сольватированных электронов. Вскоре после этого гетеротрофия постепенно эволюционировала как средство приобретения жизненно важных молекулярных компонентов без необходимости энергоемких анаболических реакций, поскольку одноклеточная жизнь начала занимать места обитания все дальше и дальше от источников из-за перенаселенности и конкуренции. ======================= Гидротермальные жерла С конца 1990-х годов идея о том, что жизнь могла возникнуть в подводных щелочных гидротермальных источниках, получила значительное распространение. На первый взгляд вентиляционные отверстия кажутся хорошим кандидатом. Их внутренности очень щелочные, с рН где-то между 9-11. Напротив, высокий уровень CO2, присутствующий в первобытных океанах Земли, сделал бы их довольно кислыми с рН ~ 6. Разница рН между внутренним пространством жерл и океаном породила бы протонный градиент, который примитивные микробы могли бы использовать для питания своего метаболизма. Использование хемиосмотической связи для осуществления эндергонических реакций ( например, синтеза АТФ ) повсеместно встречается почти во всех организмах, что позволяет предположить, что эти протонные градиенты могли присутствовать при зарождении жизни. Помимо обеспечения химического градиента, вентиляционные отверстия также должны были состоять из сульфидных соединений железа ( например, пирита ), а также других комплексов, содержащих никель и вольфрам. Эти переходные металлы могли бы служить неорганическими катализаторами для восстановления CO2 и NO3 в простую органику. Эта модель основана на производстве органических молекул в гидротермальном жерле. Первым и самым трудным шагом было бы восстановление CO2, которое при нормальных условиях ( то есть при низком давлении, нейтральном рН и т.д ) является очень неблагоприятной реакцией, однако при наличии градиента рН превращение CO2 в формальдегид становится гораздо более вероятным. В своем исследовании они назвали реактор происхождения жизни для имитации щелочных гидротермальных источников группа ученых, в которую входил Ник Лейн ( очень известный сторонник теории вентиляционных отверстий ), разработала реактор для имитации условий, которые присутствовали в древних гидротермальных источниках. Реактору удалось получить небольшое количество простой органики 1С, включая формальдегид (CH2O) и формиат (HCOO). Когда исследователи вводили эти соединения в щелочной раствор в более высоких концентрациях, они производили более сложные молекулы, включая глицеральдегид, эритрозу, рибозу и дезоксирибозу. Последние два - это сахара, содержащиеся в структуре РНК и ДНК. Помимо снижения CO2, эксперимент продемонстрировал еще одно важное свойство гидротермальных жерл. Используя пористую керамическую пену, они обнаружили, что гидротермальный поток может концентрировать химические вещества в 2500-5000 раз. Это означает, что даже низкие выходы простых органических веществ, производимых вентиляционными отверстиями, могли быть сконцентрированы таким образом, чтобы им было легче реагировать друг с другом и создавать более сложные молекулы. Таковы экспериментальные данные. Но есть ли еще что-нибудь, что может подтвердить эту теорию? Когда мы смотрим на саму жизнь, мы видим, что гипертермофилы ( то есть микробы, живущие в горячих гидротермальных источниках ) коренятся у основания филогенетического дерева, предполагая, что общий предок всей жизни, возможно, также был гипертермофилом. Кроме того, исследование, проведенное в 2016 году Weiss et al., сравнило геномы 1847 бактерий и 134 архей и идентифицировало набор из 355 генов, которые, вероятно, присутствовали у последнего универсального общего предка (LUCA). Основываясь на предполагаемом репертуаре белка ЛУКИ, авторы приходят к выводу, что он, вероятно, был термофильным и фиксировал углерод по пути Вуда-Люнгдала. Путь WL изобилует белками и ферментами, которые в значительной степени полагаются на неорганические кофакторы, такие как кластеры FeS и Fe (Ni) S. Кроме того, Weiss et al. оказалось, что эти сульфиды металлов были вторыми по распространенности кофакторами после АТФ, которые использовались в белках ЛУКИ. Это указывает на то, что жизнь должна была возникнуть где-то там, где этих веществ было в изобилии. Прежде чем я двинусь дальше, я мог бы также суммировать основные моменты, лежащие в основе теории вентиляционных отверстий: 1. Протонные градиенты и неорганические кофакторы могли бы превратить CO2 в простую органику. 2. Вентиляционные отверстия способны концентрировать простые органические вещества, облегчая им ассоциацию и производство более сложных молекул. 3. Основываясь на генах, которые разделяются между архейными и бактериальными доменами, считается, что ЛУКА был гипертермофилом, жившим в подводных гидротермальных источниках. Итак, у нас есть ответ? Пока нет, потому что как оказалось, не все ученые согласны с теорией подводных гидротермальных источников. Армен Мулкиджанян, ключевой критик теории подводных жерл, отмечает, что состав океанской воды сильно отличается от состава цитозоля как бактерий, так и архей. Наиболее примечательно, что большинство клеток содержат очень низкое количество натрия по сравнению с океанской водой. Это означало бы, что жизнь возникла в пресноводной среде на суше, а затем вторглась в моря, поскольку она выработала способы переносить высокие концентрации соли Кроме того, как рибосомы, так и некоторые эволюционно древние белки требуют присутствия ионов калия, чтобы принять их функциональные конформации. Напротив, большинство предковых белков не проявляют никакой зависимости от ионов натрия чего нельзя было бы ожидать, если бы жизнь действительно возникла в гидротермальном жерле глубоко в океане. Итак, если не морская среда, то где же? В статье 2012 года Мулкиджанян и др. указывают на геотермальные горячие источники как на колыбель жизни. Они не только демонстрируют соотношение Na/K, более близкое к соотношению современных клеток, но и богаты неорганическими фосфатами и фосфитами. Поскольку фосфаты играют чрезвычайно важную роль в современной биохимии, вполне логично, что жизнь развивалась бы в области, которая была полна ими. Подобно подводным гидротермальным жерлам, геотермальные источники также были бы богаты сульфидами металлов, таких как ZnS, FeS и MnS. Кроме того, гидротермальный поток мог присутствовать и вблизи поверхности, а это означает, что гипотеза Мулкиджаняна не должна полностью противоречить теории вентиляционных отверстий. Подобно тому, что могло произойти на дне океана, молекулы H2 могли образоваться в результате реакции Fe2 + и воды. Тогда этот водород был бы доступен для уменьшения CO2, а затем для поступления в путь WL, присутствующий в самых ранних микробах. Ключевое различие между теориями подводного жерла и геотермального источника заключается в предполагаемой зависимости от протонных градиентов. Как описано выше, протонные градиенты, вероятно, сыграли решающую роль в сокращении CO2. Но вблизи поверхности это было бы невозможно. Так это что, тупик? Ну, не совсем так. Как оказалось, ZnS и MnS - действительно хорошие фотокатализаторы, которые могут использовать энергию ультрафиолетового света для превращения CO2 в формиат. Это было продемонстрировано экспериментально с квантовым выходом до 80%. Интересно, что ZnS более летуч, чем FeS или Fe (Ni) S, и поэтому он осаждался бы поверх гидротермальной системы, помещая ее в удобное место для поглощения ультрафиолетового света. Однако важно отметить, что роль ультрафиолета в зарождении жизни подверглась значительной критике. Прежде всего, ультрафиолетовое излучение имеет тенденцию повреждать сложные биологические полимеры вместо того, чтобы способствовать их синтезу. Во-вторых, не существует известной формы жизни, которая использовала бы ультрафиолет для уменьшения CO2 и синтеза органики. Это отражало бы разрыв между пребиотическими реакциями, которые предположительно привели к возникновению жизни, и реакциями, которые на самом деле происходят в современных клетках. Однако прежде чем мы откажемся от ультрафиолетового света, есть некоторые аспекты фотохимии, которые просто нельзя игнорировать: 1. Исследование 2015 года, проведенное Patel et al, показало, что цианосульфидная фотохимия имеет тенденцию производить предшественников аминокислот, липидов и нуклеиновых кислот больше, чем другие молекулы. Выходы этих органических синтезов также довольно высоки, часто в пределах 30-80%. 2. Примечательным свойством нуклеиновых оснований является то, что они довольно фотостабильны по сравнению с другими сложными молекулами. Многочисленные двойные связи, присутствующие в их молекулярной структуре, позволяют им направлять энергию ультрафиолетового света в другое место, что говорит о том, что нуклеиновые основания были выбраны в том смысле, что они могли быть одной из немногих сложных молекул, оставшихся на поверхности после того, как все остальные были разрушены ультрафиолетом. Фотостабильность, возможно, была повышена за счет образования нуклеотидных полимеров и водородных связей. Следовательно, поверхность могла давать стабильный запас нуклеотидных полимеров задолго до того, как появилась жизнь в том виде, в каком мы ее знаем. Тот факт, что нуклеиновые основания настолько стабильны в присутствии ультрафиолета, не может быть просто совпадением. Очевидно, что жизнь должна была развиться где-то там, где присутствовал этот ультрафиолетовый свет. После образования биологически значимые молекулы могли быть смыты в пористые здания, покрытые ZnS, которые были защищены от ультрафиолета. Здесь агрегаты, состоящие из белков и липидов, возможно, содержали первые нуклеиновые основания. Размножение этих агрегатов подпитывалось бы постоянным притоком органики, образованной как геохимией, так и фотохимией, и со временем они эволюционировали бы и становились все более сложными. Несмотря на то, что исследование Weiss et al. намекает на то, что ЛУКА жил в подводном гидротермальном жерле, но это не значит, что там зародилась жизнь. Вполне возможно, что жизнь возникла где-то в другом месте, а затем приспособилась к жизни в подводных жерлах. Одним из белков, идентифицированных как часть репертуара LUCA, является Na + / H + антипортер. Этот белок использует энергию протонов, диффундирующих через мембрану, чтобы активно выкачивать натрий из клетки. Мулкиджанян и др. интерпретируют это как адаптацию первых клеток к океанской среде. Однако в их работе " происхождение мембранной биоэнергетики " Лейн и Мартин предполагают, что откачка ионов натрия могла бы оптимизировать функцию фермента. Соли, как правило, сильно взаимодействуют с заряженными боковыми цепями аминокислот, что может снизить активность фермента. В то же время существуют белки, которые могут хорошо функционировать при высоких концентрациях солей.Таким образом, если жизнь действительно эволюционировала в сильно засоленной среде на дне океана, то вполне разумно предположить, что ее белки, возможно, были оптимизированы эволюцией для функционирования в присутствии ионов натрия. Следовательно, эволюция Na + / H +-антипортера была бы совершенно бесполезной, если бы не вредной. Поэтому более скупое объяснение состоит в том, что жизнь возникла на поверхности, а затем развила антипортер как способ приспособиться к жизни в подводном гидротермальном жерле, где она продолжала диверсифицироваться вплоть до ( и после ) появления ЛУКИ. Еще одним спорным моментом между теориями подводного жерла и геотермального источника является роль некоторых металлов в функционировании древних ферментов. Сторонники теории подводного жерла подчеркивают важность кластеров сульфида железа в метаболизме первых клеток. Во-первых, ферродоксины ( железосернистые белки ) широко используются современными клетками для проведения окислительно-восстановительных реакций. Кроме того, кластеры FeS и FeNiS находятся в ядре монооксид-дегидрогеназы/ацетил-КоА-синтазы (CODH/ACS), т.Е. фермент, который катализирует последние этапы пути WL и, как широко считается, присутствует в LUCA. Напротив, Мулкиджанян указывает, что большинство ферментов, участвующих в основных функциях, таких как репликация ДНК и синтез белка, зависят от присутствия ионов Zn + и Mg +, при этом железо практически не используется, что, по-видимому, подтверждает идею о том, что жизнь могла развиваться только в среде, богатой Zn и Mg и бедной железом. Теперь в статье рассматриваются только одиночные атомы ( в отличие от кластеров сульфидов металлов ), и отмечается, что железо, по-видимому, присутствует в основе окислительно-восстановительных ферментов. Взятые вместе, это, по-видимому, наводит на мысль о том, что жизнь развивалась в среде, богатой как железом, так и другими переходными металлами. Исследование, проведенное в 2017 году Джошуа Голдфордом и другие, обнаружила доказательства “основного метаболизма”, полностью независимого от фосфата. Отсеяв все биохимические реакции, зависящие от фосфата, и сосредоточившись на тех, которые используют молекулы, которые, вероятно, были свободно доступны на ранней Земле, авторы выявили правдоподобную сеть химических реакций, которые могли бы произвести первые аминокислоты и другие ключевые метаболиты. В современных клетках эти реакции обычно зависят от ферментов, которые: 1. Обогащен кофакторами FeS, 2. Включите в первую очередь 10 базальных аминокислот и 3. Они в среднем короче, чем другие белки в целом. Последний пункт подразумевает, что даже короткие пептидные последовательности могли играть активную роль в первичном метаболизме. Что еще более интересно, авторы обнаружили, что реакции с участием нуклеиновых кислот обычно отсутствуют в реакционных сетях, что означает, что их использование тесно связано с использованием фосфатов. Тогда вполне возможно, что использование нуклеиновых кислот является эволюционно выведенной особенностью, а не чем-то наследственным для всей жизни. Затем это поставило бы на карту возможность возникновения жизни в бедной фосфатами среде на дне океана. Так что же произошло? Возникла ли жизнь на дне океана, приспособилась ли к поверхности, а затем вернулась обратно? Или возможно, что даже на поверхности могли быть какие-то места, свободные от фосфатов? В свете всех имеющихся свидетельств вполне возможно, что протоклетки могли появиться как на суше, так и в океане. Если было доказано, что как надводные, так и подводные жерла являются подходящими убежищами для первой жизни, то нет никаких причин исключать одно из другого. Я предполагаю, что если мы посмотрим на это с такой точки зрения, то ранняя Земля, возможно, была просто кишащей протоклетками. Со временем естественный отбор отсеял бы большинство из них и оставил бы только те, которые могли бы наиболее эффективно использовать любые источники энергии, которые им были представлены. Формы жизни, использующие ДНК/РНК, могли бы развить ферменты, которые были бы очень преданы специфическим реакциям, что давало бы им преимущество перед их безгенными кузенами. Кроме того, мембраны первых протоклеток, возможно, не были такими непроницаемыми, как сегодня, что потенциально облегчало им обмен генами и метаболитами друг с другом. Таким образом, современная жизнь может быть суммой гигантского сообщества протоклеток, разбросанных по всей планете. Прежде чем я закончу, я мог бы оставить вас с этой цитатой из Карла Вуза, известного ученого, который открыл три области жизни: Предком не мог быть отдельный организм, одна организменная линия. Это был общинный, слабо связанный, разнообразный конгломерат примитивных клеток, который эволюционировал как единое целое и в конце концов развился до стадии, когда распался на несколько отдельных сообществ, которые, в свою очередь, стали тремя первичными линиями происхождения ( бактерии, археи и эукариоты ) ================================= Откуда зародилась жизнь? Как бы ни было приятно отправиться в прошлое и увидеть, как выглядела ранняя Земля, мы знаем, что этого никогда не произойдет. Геологические процессы переработали почти все породы, присутствовавшие около 4,5-4 миллиардов лет назад, оставив нам мало намеков на то, какой на самом деле могла быть изначальная среда обитания. Я имею в виду, что совершенно очевидно, что ранняя Земля была гораздо более вулканически активна, чем сегодня, и что ее атмосфера была бескислородной и состояла в основном из CO2/N2. Но кроме этого, более конкретные детали о составе атмосферы и распределении определенных молекул/элементов остаются только предположениями. При обсуждении происхождения жизни важны детали. Включение ( или исключение ) определенных молекул с поверхности планеты оказало бы радикальное влияние на то, как первоначально могла развиться жизнь. Но что, если наш ответ не в скалах? Что, если ответ на наш вопрос лежит в каком-то далеком мире более чем за миллиард километров от Земли? Титан - самый большой спутник Сатурна. Он имеет радиус 2575 км, что делает его больше планеты Меркурий и примерно на 3/4 больше Марса. Эта луна вращается вокруг Сатурна раз в 15,9 дня и, конечно же, приливно-отливная. Однако что делает Титан интересным, так это его атмосфера. Титан - единственный спутник в солнечной системе с плотной атмосферой. Поверхностное давление составляет около 1,45 бар, что хорошо контрастирует с высоким давлением на Венере и низким давлением практически на любом другом твердом теле Солнечной системы, кроме Земли. Но то, из чего состоит атмосфера, еще более завораживает. На Титане много метана – он составляет примерно 3% газов. Остальное (~ 97%) - азот со следовыми количествами других молекул. А метан существует не просто как газ. Он, наряду со своим более тяжелым кузеном этаном (C2H6), составляет обширные углеводородные моря вблизи полюсов Луны. Несмотря на то, что там ультрафиолетовый свет намного слабее, чем на Земле, он взаимодействует с метаном и азотом, и происходит интересная химия. Фотохимические реакции способны генерировать простые органические вещества, такие как цианистый водород (HCN), ацетилен (HCCH), цианоацетилен (HCCCN), цианоген (NCCN) и т.д. Это значение этих молекул заключается в том, что они, возможно, были предшественниками биологических молекул, которые мы видим сегодня. Например, предполагается, что HCN является ключевым промежуточным звеном в пребиотическом синтезе нуклеозидов. Некоторые ученые сомневаются, что эта молекула когда-либо присутствовала в больших количествах на ранней Земле. Однако, поскольку мы знаем, что следовые количества HCN могут образовываться абиотически на Титане, вполне разумно ожидать, что они могли быть обычным явлением и на Земле, тем более что интенсивность ультрафиолетового излучения на ранней Земле была намного выше, чем на Титане сегодня. Так является ли Титан аналогом того, какой могла быть Земля миллиарды лет назад? Ну, не так быстро. Как я уже упоминал, на ранней Земле, вероятно, было намного больше CO2, чем на Титане. Таким образом, химия на нашей планете сильно отличалась бы от химии Титана. Тем не менее то, что мы видим на Титане, подтверждает идею о том, что фотохимия, возможно, сыграла важную роль в создании биологически значимых молекул. Это указывает на поверхностную среду как на первое пристанище жизни. Энцелад - это крошечная луна. Его радиус составляет всего 252 км, что меньше десятой части радиуса Титана. На самом деле это один из самых маленьких объектов в Солнечной системе, находящийся в состоянии гидростатического равновесия. Несмотря на то, что он настолько мал, он демонстрирует активную геологию и даже является хозяином глобального подповерхностного океана. Его геология может поддерживаться теплом, образующимся в результате приливного трения. Приливное трение возникает, когда луны и планеты с близкими орбитами гравитационно тянут и растягивают друг друга. Так считается, что на дне океана Энцелада могут быть гидротермальные источники. Как и ожидалось на Земле, эти вентиляционные отверстия могут быть движущей силой пребиотической химии. Хотя никто точно не знает, что находится под всем этим льдом, Энцелад часто выбрасывает струи воды из трещин на своей поверхности. Наиболее заметными из них являются тигровые полосы. Лед, образующийся из этих трещин, является основной составляющей электронного кольца Сатурна. Тот факт, что Энцелад практически выплевывает образцы своего океана, - слишком хорошая возможность для исследователей, чтобы упустить ее. Таким образом, космический корабль "Кассини", посланный исследовать Сатурн и его спутники, фактически пролетел через шлейфы и собрал образцы. И что же он нашел? Как оказалось, вода довольно соленая ( то есть обогащена ионами Na+, Cl- и CO3 ). Но помимо соли есть следы органических молекул, таких как формальдегид (CH2O), метан и ацетилен. Океан очень щелочной (рН =10-12) и обогащен H2. Считается, что это результат серпентинизации, происходящей на дне океана. Серпентинизация - это процесс, при котором вода гидроксилирует оливин, превращая его в серпентинит и высвобождая H2. Серпентинизация также важна, потому что она приводит к образованию щелочных гидротермальных источников. В совокупности получается, что внутренности Энцелада - это проявление окружающей среды размером с Луну, в которой, по мнению Рассела и других сторонников теории подводного жерла, зародилась жизнь. Да, похоже, на Энцеладе есть какая-то простая органика, однако более недавнее исследование в 2019 году обнаружило нечто совершенно неожиданное. Проанализировав данные одного из полетов "Кассини", исследователи обнаружили наличие сложных органических веществ, содержащих различные функциональные группы, такие как амины, карбоновые кислоты, кетоны и т.д. За год до этого было проведено еще одно исследование этими же авторами найдены доказательства существования макромолекулярной органики с массами в диапазоне 200-2000 аме. Чтобы представить это в перспективе, атом углерода равен всего 12 аму. Присутствие этих больших органических молекул намекает на то, что на дне океана Энцелада происходит какая-то интересная химия. Считается, что большинство этих молекул происходят из нерастворимого органического слоя прямо подо льдом. Трещины и трещины выталкивают их наружу, и они становятся аэрозолями, служащими точками зарождения для образования кристаллов льда. Известно, что этот процесс происходит и на Земле с органическими аэрозолями преимущественно биогенного происхождения. В целом я бы сказал, что открытия на Энцеладе практически подтверждают теорию гидротермального жерла Рассела. Тот факт, что внутри Луны образуются большие молекулы, доказывает, что подводные щелочные гидротермальные источники способны дать толчок сложной химии. На самом деле было высказано предположение, что органические вещества, обнаруженные в шлейфах, происходят из самой жизни; либо это продукты метаболизма, либо остатки микробов, которые умерли и нашли свой путь ко льду. К сожалению, в ближайшее время на Энцелад не планируется никаких миссий, так что, вероятно, пройдут десятилетия, прежде чем мы узнаем наверняка. Таким образом, открытия с Титана и Энцелада дают нам ценную информацию о происхождении жизни на Земле. Тот факт, что мы видим предшественников биологически значимых молекул в обоих мирах, несмотря на то, что они имеют радикально различную среду обитания, говорит о том, что химия, необходимая для возникновения жизни, может быть обычным явлением во всей Солнечной системе и за ее пределами. ============================== Роль HCN в происхождении жизни Цианистый водород (HCN) - очень реактивная молекула. Несмотря на то, что он токсичен для человека и большинства других форм жизни, считается, что он сыграл важную роль в создании первых биологических молекул. Хотя верно, что простые аминокислоты были получены абиотически с помощью реакционных путей, которые не вовлекают HCN, единственным способом синтеза нуклеиновых оснований в пребиотически правдоподобных условиях было добавление этой молекулы. Однако не все ученые убеждены, что первые биомолекулы произошли от HCN. Во-первых, практически ни один организм не использует HCN в качестве субстрата при синтезе аминокислот и нуклеиновых кислот. Современные организмы используют различные другие метаболические промежуточные продукты для синтеза аминокислот, а затем используют эти аминокислоты ( плюс некоторые другие молекулы ) для генерации нуклеиновых кислот. Чтобы лучше проиллюстрировать это, рассмотрим, что некоторые промежуточные продукты цикла Кребса, такие как оксалоацетат и 2-кетоглутарат, широко используются для синтеза глутамата, глютамина, аспарагиновой кислоты и аланина ( более интересно, что глутамат, аспартат и глютамин ( плюс глицин ) являются единственными аминокислотами, используемыми в синтезе нуклеиновых кислот. Сказать, что первые биомолекулы были получены в результате реакций с HCN, означало бы своего рода разрыв между химическими реакциями при зарождении жизни и метаболизмом в современных клетках. Короче говоря, многие биологи предпочитают идею преемственности между примитивным метаболизмом и сложной биохимической сетью, которую мы видим сегодня, в то время как химики предпочитают прямые результаты с использованием реактивных молекул, таких как HCN. До сих пор синтетические органические химики добивались реальных успехов в создании биологически релевантных молекул из HCN. В обзорной статье начиная с 2013 года, Bermejo et al. составляют список всех аминокислот и нуклеиновых кислот, синтезированных с использованием HCN. Среди них 12 протеиногенных аминокислот, все четыре канонических нуклеиновых основания и широкий спектр других молекул, которые служат важными метаболическими промежуточными звеньями в современных клетках. В дополнение к нуклеобазам, исследование Powner et al. (2009) продемонстрировали синтез активированных нуклеотидов, состоящих из пиримидинового фрагмента ( т.е. цитозина или урацила ), присоединенного к рибозе. Исходными молекулами в их синтезе были цианамид, цианоацетилен, гликолевый альдегид, глицеральдегид и неорганический фосфат. Все это пребиотически правдоподобные молекулы, которые могут быть получены из цианосульфидной химии. Одно исследование Das et al., проведенное в 2019 году, показало, что раствор, содержащий только HCN и H2O могут способствовать образованию важных химических промежуточных продуктов, таких как цианамид, оксазол, глицин, формальдегид, а также других простых молекул, таких как NH3 и H2. Этот результат приводит авторов к предположению, что HCN и H2O могли быть "Адамом и Евой" химической эволюции, являясь источником всех других биологических молекул. Однако важно отметить, что это исследование было проведено с помощью компьютерного моделирования и что никакого реального химического синтеза не происходило. В другом исследовании Wolos et al. в 2020 году использовался алгоритм машинного обучения Allchemy предсказать все возможные химические реакции, которые могут произойти с шестью исходными материалами, включающими H2O, HCN, N2, CH4, NH3 и H2S. Алгоритм сгенерировал пути синтеза более 36 тысяч продуктов, 82 из которых являются биологически значимыми молекулами. При беглом взгляде на каждый план синтеза почти все начинается с реакции HCN с самим собой или каким-либо другим субстратом. Другой распространенной критикой в отношении HCN и происхождения жизни является вопрос о том, присутствовал ли он когда-либо в значительных количествах на ранней Земле. Одним из способов получения HCN является фотолиз с участием атмосферных СН4 и N2. Таким образом, если бы атмосфера Земли содержала достаточно метана, то вполне разумно было бы ожидать, что там также было бы значительное количество HCN. Но теперь у нас есть еще один вопрос: откуда берется метан? Наблюдалось низкое количество абиотически произведенного метана, исходящего из серии гидротермальных источников и если эти гидротермальные отверстия были распространены по всему миру в первые дни существования Земли, то вполне возможно, что они могли наполнить океаны, а также атмосферу высоким уровнем метана, необходимым для синтеза HCN. В дополнение к фотолизу HCN может также генерироваться ударами молнии с участием N2, CO2 и H2O. На самом деле HCN образуется в результате этого процесса даже сегодня, хотя и в незначительных количествах. Поскольку Земля 4 Гя была бы более горячей и более обогащенной CO2, можно ожидать, что удары молнии также могли бы внести основной вклад в запасы HCN на планете. Но что теперь? У нас есть еще один вопрос: как только цианистый водород был получен, как он мог быть достаточно концентрирован, чтобы легко образовывать биологические молекулы? Несколько молекул, плавающих там и сям, на самом деле мало что делают. Однако HCN, по-видимому, обладает еще одним интересным свойством. При растворении в воде он имеет тенденцию концентрироваться вблизи поверхности. Исследование Фабиан и др. (2014) обнаружили, что растворенные молекулы HCN проводят гораздо больше времени вблизи поверхности, чем молекулы воды. Это говорит о том, что даже низкие уровни цианида могли быть сконцентрированы таким образом, чтобы сделать их более склонными к полимеризации. Еще более интересно, что авторы отмечают, что аденин сам является пентамером HCN и что он спонтанно образуется в смесях, содержащих высокие концентрации (1-11 М) HCN. Простые органические вещества, образовавшиеся в океане, возможно, просто были потеряны, но если бы они оказались в каком-нибудь "теплом маленьком пруду" или, возможно, в поверхностном гидротермальном источнике, то испарение или термофорез могли бы еще больше сконцентрировать их, сделав тем самым появление жизни еще более вероятным. Взятые вместе, все данные, по-видимому, указывают на то, что HCN является важным пребиотическим предшественником более сложных органических веществ. В ответ на критику в адрес того, что ни одна жизнь не использует HCN в качестве субстрата, вполне возможно, что по мере того, как концентрации CO2 и CH4 резко падали, а вместе с ними и HCN, жизнь эволюционировала, чтобы использовать другие легкодоступные соединения. На самом деле некоторые ученые предполагают, что HCN, возможно, даже питался примитивными путями ( например, цикл Кребса ), которые, следовательно, привели к производству аминокислот и, таким образом, позволили постепенному переходу к метаболизму, который мы наблюдаем в современных клетках. С другой стороны, возможно, те же самые свойства HCN, которые делают его столь ценным в экспериментах по пребиотическому синтезу, могут также нанести ущерб сложному метаболизму. HCN очень агрессивен, и если его не контролировать, он может привести к разрушению деликатных биологических систем. Только по этой причине жизнь, возможно, была побуждена искать альтернативы цианосульфидной химии. Таким образом, вполне возможно, что HCN и фотохимия могли быть искрой, необходимой для того, чтобы жизнь зародилась, но от нее быстро отказались, поскольку она стала более сложной. И снова мы обнаруживаем, что смотрим на поверхностную среду как на первоначальную колыбель жизни. Тем не менее, это не означает, что вся жизнь должна появляться на поверхности. Как я описал в последнем посте, касающемся Энцелада, щелочные гидротермальные источники полностью способны запустить сложную химию. Чтобы объяснить физиологию ЛУКИ ( которая определенно не живя на поверхности или полагаясь на HCN ), вполне возможно, что примитивные протоклетки могли обмениваться метаболитами или даже генами друг с другом, становясь таким образом более сложными и способными синтезировать нуклеиновые кислоты в более широком диапазоне условий. Поскольку гидротермальные источники обеспечивали бы их постоянным источником органики и энергии, необходимых для выживания, легко понять, как примитивные клетки могли эволюционировать и диверсифицироваться в этой среде вплоть до появления ЛУКИ и после него. ============================== История биосинтеза пуринов В своем последнем посте я описал, как HCN, вероятно, был абсолютно необходим для образования сложных нуклеиновых оснований. Как упоминалось ранее, единственный успешный синтез пурина + пиримидина в моделируемых пребиотических условиях происходил, когда в смесь добавляли HCN или соединения, полученные из HCN. Однако, несмотря на то, что эта молекула была столь необходима, она вообще не используется для синтеза пуринов и пиримидинов в современных клетках. Так что же произошло? Как клетки перешли от использования пребиотической химии к ферментативно-катализируемому синтезу, который мы наблюдаем сегодня? Как насчет того, чтобы начать с пуринового метаболизма? Вот действительно хороший график, показывающий этапы синтеза пурина: Биосинтез начинается с добавления амина к рибозо-5-фосфату. Следующим шагом является добавление глицина. Глицин - единственная цельная аминокислота, которая добавляется; все последующие этапы включают либо добавление небольших молекул, таких как формиат или углекислота, либо перенос амина из глутамата или аспартата. Можно без сомнения сказать, что первые клетки не обладали всеми ферментами, необходимыми для выполнения этих шагов. Вместо этого их пролиферация, вероятно, поддерживалась притоком абиотически генерируемых пуринов и других молекул. Это было бы не очень эффективно, так как те же самые условия, которые производили биологически релевантные нуклеиновые основания, также производили бы множество других бесполезных молекул. Исследование 2007 года Каэтано-Аноллес и др. установлено, что наиболее эволюционно древние белковые складки обнаруживаются у ферментов, участвующих в переносе фосфатных групп. С помощью этих ферментов примитивные клетки могли бы синтезировать NDP и NTP из NMP (где N обозначает либо A, U, G, либо C). Таким образом, отправная точка в эволюции пуринового метаболизма просто была бы отмечена появлением ферментов для взаимопревращения абиотически генерируемых нуклеотидов. Исследование 2013 года , проведенное К. Каэтано-Аноллес проследил эволюционную историю биосинтеза пуринов, изучив распределение определенных складок внутри ферментов, катализирующих каждую реакцию. Эволюция фосфатпереносящих ферментов, вероятно, сопровождалась появлением ферментов, способных превращать такие нуклеотиды, как IMP ( инозинмонофосфат ) и XMP ( ксантозинмонофосфат ), в AMP и GMP. Инозин и ксантозин на самом деле не образуют хороших пар оснований в двухцепочечной ДНК и РНК, но они среди прочих, скорее всего, образуются в тех же условиях, что и аденозин и гуанозин. Таким образом, можно было бы ожидать, что пребиотическая среда была обогащена множеством различных нуклеотидов, большинство из которых было бы практически бесполезно для первых клеток. Следовательно, легко понять, как примитивные клетки выиграли бы от развития ферментов, которые могли бы превратить их в более полезные нуклеотиды. Не менее древним является фермент, катализирующий превращение АИКАРА в ФАИКАР. Считается, что AICAR легко образуется в пребиотических условиях ( возможно, в большей степени, чем нуклеотиды ). Примитивные клетки могли бы затем использовать этот субстрат для синтеза FAICAR, который может неферментативно превращаться в IMP. Ускорение синтеза IMP и развитие ферментов для превращения его в AMP и GMP сделали бы примитивные клетки более независимыми от фотохимии HCN, чем их менее продвинутые собратья. Следующим шагом на пути к современному биосинтезу пуринов была бы эволюция ферментов, которые могли бы присоединять фосфо-a-D-рибозил-1-пирофосфат ( PRPP ) к нуклеиновым основаниям и превращать их в нуклеотидмонофосфаты (NMPs), поскольку нуклеотиды, вероятно, встречались гораздо реже, чем нуклеобазы, это нововведение наделило бы примитивные клетки способностью производить свои собственные нуклеотиды по требованию, а не ждать неэффективных абиотических реакций. В дополнение к нуклеобазам он был предложен Берсеррой и Лаканцо (1998), что даже абиотически произведенный AICA может быть преобразован в AICAR PRTases. От AICAR до IMP всего пара шагов. Используя абиотически сгенерированный AICA, можно было бы пропустить первые 8 этапов современного пуринового метаболизма. Но поскольку концентрации CO2 и CH4, а следовательно, и HCN со временем уменьшались, примитивные клетки были бы вынуждены генерировать свой собственный AICAR, не полагаясь на абиотические реакции. В современных клетках AICAR синтезируется из CAIR путем замены гидроксила (-OH) на амин (-NH2). Вполне возможно, что эта реакция переаминирования может протекать неферментативно, хотя и со скоростью гораздо более медленной, чем реакция, катализируемая ферментом. САИР синтезируется из ВОЗДУХА добавлением углекислоты. В 2014 году исследование, Армента-Медина и др. предполагают, что превращение воздуха в CAIR могло происходить неферментативно из-за высоких концентраций углекислоты в ранних океанах Земли. Эволюция фермента, способного карбоксилировать ВОЗДУХ, была бы необходима только тогда, когда уровень CO2 начал бы резко падать. Прежде чем я двинусь дальше, давайте подведем итог тому, что у нас есть на данный момент: 1. Первые клетки полагались бы почти исключительно на абиотически генерируемые нуклеотиды 2. Некоторые из первых эволюционировавших ферментов должны были участвовать в переносе фосфатных групп между нуклеотиддифосфатами и нуклеотидтрифосфатами. 3. Следующим шагом на пути к современному пуриновому метаболизму было бы взаимное превращение бесполезных нуклеотидов, таких как IMP и XMP, в более полезные, такие как AMP и GTP. Затем ферменты фосфорибозилтрансферазы (PRTase) эволюционировали для превращения нуклеобаз в нуклеотиды, а AICA - в AICAR. Чтобы добраться до сложного 11-ступенчатого пути синтеза пурина, который мы видим в современных организмах, примитивным клеткам нужно было бы пройти только первые пять шагов, ведущих к АИКАР. Вполне возможно, что древний фермент, который мог действовать на самые разнообразные субстраты, был использован для заполнения этих пробелов. Исследование Чжан и др. (2009) обнаружили, что ферменты, катализирующие стадии 2, 3, часть 6, 7 и 9, гомологичны, что означает, что они могли возникнуть из одного фермента, который выполнил все 5 стадий. Со временем дупликация и дивергенция генов позволили бы эволюционировать ферментам, более специализированным для каждой реакции. Так что на данный момент это оставляет шаги 1, 4 и 5 необъяснимыми. По словам К. Caetano-Anolles & G. Caetano-Anolles (2013), фермент, катализирующий превращение FGAR в FGAM (шаг 4), примерно такой же древний, как и некоторые ферменты, преобразующие нуклеотиды. Исходя из FGAM, вполне возможно, что внутренняя кольцевая циклизация превратила его в ВОЗДУХ неферментативно, но, насколько мне известно, это не было продемонстрировано экспериментально. В отсутствие ферментов вполне вероятно, что неорганические катализаторы ( например, минералы, сульфиды металлов ) сыграли определенную роль в завершении некоторых из этих реакций. Эволюция специальных ферментов только помогла бы ускорить реакции, которые уже происходили на заднем плане. Таким образом, когда мы смотрим на эволюционную историю биосинтеза пуринов, мы видим постепенный переход от опоры на нуклеотиды, образующиеся в результате фотохимии HCN +, к современному метаболизму, использующему аминокислоты в качестве субстратов. Это еще раз подтверждает роль HCN в пребиотической химии, предполагая, что жизнь действительно возникла где-то на поверхности, прежде чем адаптироваться к океанам. ================================== Где и как зародилась жизнь О происхождении РНК и мире РНК Нуклеиновые кислоты лежат в основе всей биологии. Они способны связывать и хранить генетическую информацию, действовать как катализаторы, синтезировать белки и даже участвовать в широком спектре химических реакций ( например, АТФ ). Когда мы внимательно смотрим на структуры ДНК и РНК, мы обнаруживаем, что они состоят из гетероциклических соединений, способных образовывать водородные связи друг с другом. Эти гетероциклы, в свою очередь, связаны с рибозофосфатным остовом. Без сомнения, эти молекулы невероятно сложны. Но это оставляет нас перед вопиющим вопросом: как возникли ДНК и РНК? Более конкретно, как образовались мономеры и как они были включены первыми протоклетками? На этот вопрос определенно труднее ответить, и исследования все еще открывают новые подсказки. Тем не менее, я постараюсь дать описание, основанное на том, что уже известно. Почему пурины и пиримидины? Пурины и пиримидины, вероятно, были распространены на ранней Земле. Лаборатории, имитирующие пребиотические условия, снова и снова производили их, используя соединения, полученные из HCN. Более того, тот факт, что нуклеобаза аденина представляет собой буквально пять молекул HCN, склеенных вместе, говорит о ее простоте и скорее всего пребиотическом изобилии. Пиримидины образуются реже, но вполне разумно ожидать, что они тоже могли быть распространены. Однако пурины и пиримидины были не единственными гетероциклическими соединениями, присутствовавшими на ранней Земле. Чтобы получить представление о том, как мог выглядеть земной пребиотический репертуар, я просто пролистал страницы соединений, предсказанных алгоритмом машинного обучения Алхимия образуется из шести исходных молекул ( H2O, HCN, NH3, CH4, H2S и N2. Наиболее распространенными гетероциклическими соединениями на сегодняшний день были имидазолы ( для этого я исключил фенильные кольца ). Имидазолы и производные имидазола образуются очень легко, и нетрудно представить, что их тоже было много. Второе место после имидазолов занимают оксазолы, которые в основном представляют собой одно и то же, за исключением того, что у них есть атом кислорода вместо одного из азотистых соединений. Возможно, столь же распространенными были пурины и пиримидины – ничего удивительного. Но в дополнение к ним существовало еще одно интригующее кольцо – триазин. Триазин похож на пиримидин, за исключением того, что в его кольце есть еще один азот. Как и все другие молекулы, эксперименты показали, что он тоже может образовываться в пребиотических условиях. Начнем с фотостабильности. А 2013 год исследование Szabla et al. и более недавнее исследование 2018 года автор: Janicki et al. установлено, что соединения 2-аминооксазола и 2-амиоимидазола удивительно фотостабильны. Это означает, что после образования они могли накапливаться на поверхности Земли в большом изобилии. Имидазолы и оксазолы являются важными промежуточными звеньями в пребиотическом синтезе пуринов и пиримидинов, а это означает, что их накопление могло привести к образованию этих более сложных молекул. Пурины и пиримидины, в свою очередь, сами вполне фотостабильны. Ладно, а как насчет триазина? Как оказалось, он тоже довольно стабилен под воздействием ультрафиолета. Прежде чем я двинусь дальше, я мог бы также рассмотреть основную причину того, почему эти молекулы настолько стабильны. Бросив беглый взгляд на их структуру, вы увидите, что у них много двойных связей. Электроны в этих связях делокализованы, а это значит, что они не ограничены одним пятном на молекуле. Вместо этого они могут переноситься между соседними связями и даже атомами. Это явление известно как резонанс. Когда молекула поглощает ультрафиолетовый свет, резонанс позволяет энергии, которую она получает, распространяться по всей молекуле, а не по небольшой площади. Это затрудняет разрушение внутримолекулярных связей ультрафиолетовым светом. После поглощения эта энергия вновь излучается на более длинных длинах волн. Молекулы, содержащие в основном одиночные связи, не имеют большого количества возможных резонансных структур, что делает их более уязвимыми к фоторазрушению. В общем, чем лучше молекула поглощает и передает свет, тем больше вероятность того, что она будет иметь много двойных связей. Не веришь мне? Посмотрите на структуру хлорофилла у растений или сетчатки глаза у многих видов животных. Хорошо, теперь, когда с этим покончено, давайте обратимся к растворимости. Это исследование установлено, что триазиновое кольцо очень нерастворимо. Напротив, сообщалось, что пиримидины и оксазолы умеренно растворимы, а имидазолы были одними из лучших растворимых. В исследовании также рассматривались другие гетероциклические соединения, большинство из которых на самом деле не имеют пребиотического значения. Несмотря на то, что растворимость триазинов может быть повышена добавлением полярных боковых цепей, вполне возможно, что они были менее доступны для протоклеток, чем их более растворимые аналоги. Однако я должен отметить, что триазины встречаются в современных организмах, хотя им нет места в генетическом материале любой клетки. Таким образом, пиримидиновые, имидазольные, оксазольные и триазиновые кольца, вероятно, были сформированы на пребиотической Земле, и все они довольно фотостабильны и растворимы, за исключением триазина. Но даже в этом случае не было бы большой натяжкой предположить, что жизнь в другом мире может каким-то образом использовать триазин в своих генетических полимерах. Однако становится очевидным, что цианосульфидная фотохимия имеет тенденцию производить больше других колец, чем триазин, что делает его не только менее растворимым, но и более редким. Итак, теперь у нас остались пиримидины, оксазолы, имидазолы и пурины ( которые представляют собой просто пиримидиновые кольца, присоединенные к имидазольным кольцам ). Имидазолы важны, потому что они служат промежуточными звеньями в пребиотическом синтезе пуринов, поэтому вполне вероятно, что накопление имидазолов неизбежно приводило к образованию пуринов. А как насчет оксазолов? В знаменитом синтезе пиримидиновых нуклеотидов Сазерленда-Пауэнера 2009 года сообщалось, что ключевым промежуточным звеном является 2-аминооксазол. Таким образом, если оксазола было много, это неизбежно означает, что пиримидиновых нуклеотидов тоже было много. Но опять же, почему мы не видим полимеров, содержащих только оксазольные или имидазольные кольца? Почему только пурины и пиримидины? Ответ может заключаться в образовании нуклеотидов ( то есть нуклеобаз + сахар + фосфат ). Вот в чем дело — одиночные нуклеиновые основания в водном растворе на самом деле не соединяются и не образуют хороших дуплексов, связанных вместе водородными связями. Вполне возможно, что после испарения они могли бы соединиться вместе, но как только вода возвращается, они диссоциируют. Взаимодействия с молекулами воды достаточно, чтобы удовлетворить сродство Н-связей нуклеиновых оснований. Для того чтобы создать ковалентно связанные структуры нуклеиновых кислот, нужны нуклеотиды, а не нуклеобазы. Как показали Сазерленд и Паунер, 2-аминооксазол имеет тенденцию поддаваться образованию активированных пиримидиновых нуклеотидов, которые могут соединяться ( хотя это и не было продемонстрировано в этом эксперименте ). Это связывание может произойти из-за влажных и сухих циклов или из-за ассоциации с монтмориллонитовыми глинами. Во всяком случае, это пиримидины. Но как насчет пуринов? Как оказалось, в 2020 г. исследование показало, что промежуточные продукты в синтезе пиримидиновых нуклеотидов также могут способствовать образованию пуриновых нуклеотидов. Если пиримидиновое кольцо заменить 8-меркаптоаденином, то можно получить адениндезоксирибонуклеотиды. Ладно, давайте на минутку остановимся. 8-меркаптоаденин? Откуда это берется? Авторы предполагают, что он является продуктом реакции между триаминопиримидином (ТАП) и тиоцианатом или тиомочевиной. TAP образуется в результате кольцевого гидролиза аденина. Этот процесс, скорее всего, будет медленным, так как период полураспада аденина составляет около одного года. Однако, поскольку аденин буквально так прост ( помните, что это пять HCNS, склеенных вместе ), Не будет большим натяжением воображения думать, что он был довольно распространен на ранней Земле. Его обилие в сочетании с медленной деградацией могло привести к накоплению TAP и, следовательно, адениновых нуклеотидов. Одним из важных аспектов эксперимента является то, что он производил адениндезоксирибонуклеотиды, которые являются мономерами ДНК, а не РНК. Хотя это, казалось бы, противоречит идее о том, что РНК появилась первой, недавние исследования показали, что гибриды ДНК-РНК, возможно, были не только возможны, но и полезны для появления более сложных полимеров. Но, конечно, это не единственный путь к нуклеотидам пурин + пиримидин. Другие эксперименты показали, что они могут быть синтезированы из широкого спектра реагентов и сред. Во-первых, исследование Stairs et al. установлено, что пурины и пиримидины могут вырабатываться в одних и тех же условиях, не требуя накопления TAP. Кроме того, исследование 2019 года Беккер и др. установлено, что нуклеотиды могут образовываться с помощью промежуточных продуктов, содержащих изоксазольное кольцо. Как бы то ни было, ранняя Земля должна была быть богата абиотическими нуклеотидами, чтобы поддерживать рост и пролиферацию первых клеток ( которые, как мы знаем, не были способны вырабатывать свои собственные нуклеотиды ). До сих пор пребиотический синтез имидазольных и оксазольных нуклеотидов не был продемонстрирован. Это не значит, что они не могут существовать. Они очень многое делают и даже способны образовывать пары оснований с ДНК! Это исследование для получения более подробной информации. Однако поскольку условия на Земле не были благоприятными для образования таких нуклеотидов, эти кольца так и не вошли в генетический код. Но, несмотря на отсутствие реальных нуклеотидов, вполне возможно, что промежуточные продукты ( например, аминооксазолин ) могут быть каким-то образом связаны фосфатами в короткие полимеры. Возможно, аминооксазолин и его производные действительно могут быть использованы в генетических полимерах жизни на каком-нибудь отдаленном мире. Почему этого не произошло на Земле, до сих пор остается загадкой, но, возможно, все сводится к тому, что пиримидины и пурины более стабильны и универсальны, чем аминооксазолины. В качестве альтернативы, возможно также, что полимеры, содержащие смесь связанных нуклеотидов + аминооксазолиновых фрагментов, могут быть либо более трудными для репликации, либо менее склонными к образованию стабильных вторичных структур. Теперь, когда мы ограничились только пуринами и пиримидинами, у нас есть еще один вопрос: почему и то, и другое? Почему жизнь не держится только на пиримидин-пиримидиновых или пурин-пуриновых парах оснований? Несмотря на то, что это может идти вразрез с тем, что преподается в базовой биологии, пурины могут образовывать дуплексы с другими пуринами, а также с пиримидинами. На самом деле некоторые исследователи предположили, что первые полимеры РНК, возможно, состояли исключительно из пиримидинов. Таким образом, инкорпорация пуринов может быть эволюционно выведенным признаком, а не наследственным. В исследовании 2015 года авторы Cafferty & Hud описывают, как спаривание оснований между TAP и барбитуровой кислотой может постепенно превратиться в знакомую пару оснований A-U. Обратите внимание, что положения аминов в этой молекуле TAP отличаются от положений в молекуле TAP в приведенном выше исследовании. Кроме того, исследование, проведенное в 2005 году компанией Siegel & Tor, предполагает, что вместо TAP первые генетические полимеры включали диаминопиримидин. Возможно также, что протоклетки использовали тот тип ОТВОДА, который возникает в результате деградации аденина. Так что же могло привести к переключению? Возможно, по мере того как РНК-полимеры стали играть все более каталитическую роль в протоклетках, усилился отбор на более разнообразные основания. Полимеры с химически различными основаниями могли бы складываться в более разнообразные формы, тем самым увеличивая свой каталитический репертуар. С другой стороны, если бы пуриновые нуклеотиды были так же многочисленны, как пиримидины, то разумно было бы ожидать, что они неизбежно будут включены примитивными полимерами РНК. Возможные альтернативы генетическому коду, содержащему пары оснований между пуринами +пиримидинами. Сверху слева по часовой стрелке: пурин + пиримидин (тот, с которым мы знакомы), пиримидин + пиримидин, триазин + пиримидин, имидазол + оксазол, пурин + пурин. R–группы обозначают либо -NH2, либо =O, которые служат донорами Н-связей или акцепторами. Полимеры РНК В вышеприведенном разделе я описал, почему жизнь решила включить пурин + пиримидиновые нуклеотиды, а также как они могли образоваться абиотически. Но теперь у нас есть другой вопрос: как эволюционировали нуклеотидные полимеры (например, РНК, ДНК)? Откуда они взялись и каковы были их предшественники? Как клетки, так и вирусы используют нуклеотидные полимеры для хранения информации в виде генов. Гены предоставляют своего рода инструкцию по тому, какие белки производить и как часто их производить. С другой стороны, нуклеотидные полимеры, такие как РНК, способны играть более каталитически активную роль. Ярким примером этого является рибосома - комплекс, содержащий несколько субъединиц РНК + белок, которые могут конденсировать аминокислоты в белки. Существует также тРНК, которая участвует в транспортировке аминокислот к рибосоме во время трансляции. Поскольку РНК может хранить генетическую информацию И катализировать реакции, считается, что первые клетки, возможно, полагались в основном на РНК, мало используя ДНК. Это известно как гипотеза мира РНК. Если мы можем принять, что РНК-ферменты ( то есть рибозимы ) предшествовали генетически закодированным белкам в качестве катализаторов, то мы приходим к проблеме: как эти полимеры реплицировались? Предположим, что каким-то образом последовательность нуклеотидов соединяется вместе и создает рибозим, который дает протоклетке какое-то преимущество, возможно, ускоряя какую-то важную реакцию или катализируя совершенно новую. Если протоклетка не может сделать его больше, то она не сможет передать его своим дочерним клеткам, что сделает рибозим эволюционно бесполезным. Вполне возможно, что первые рибозимы могли быть самовоспроизводящимися репликаторами, но даже эта идея имеет проблемы. Во-первых, один репликатор не может создать больше самого себя. Все, что он может сделать, - это скопировать последовательности РНК вокруг него. На самом деле вам нужны ДВА репликатора, которые способны копировать друг друга. Вероятность того, что два сложных рибозима с точно такой же функцией (не обязательно последовательностью) могут спонтанно появиться, чрезвычайно мала. Во-вторых, ученые не добились большого успеха в производстве рибозимных РНК-полимераз. Только через тысячи раундов отбора они смогли отсортировать рибозимы, которые могут добавить короткую последовательность нуклеотидов в цепочку шаблона. Насколько мне известно, никакие рибозимы, способные копировать нити РНК до тех пор, пока они сами не были произведены в лаборатории, что делает их крайне маловероятными на ранней Земле. Таким образом, самореплицирующаяся РНК - это МИФ. Итак, если не было самореплицирующихся рибозимов, то как же копировалась РНК? Во всяком случае, репликация РНК, скорее всего, происходила неферментативно. Некоторые начавшиеся эксперименты проливают свет на то, как это могло произойти. В 2020 году будет проведено исследование Чжоу и соавт. продемонстрировали шаблонно-направленное копирование с помощью коротких олигонуклеотидов. В своем эксперименте они использовали 3-амино-РНК, которая представляет собой РНК с амином вместо одного из гидроксилов. Начиная с имидазол-активированного рибонуклеотидного праймера, они смогли наблюдать копирование нитей РНК длиной 16-32 нуклеотида. Добавление в смесь иона Mg2+ помогало ускорить реакцию при определенных условиях. Еще одно исследование Bridson & Orgel (1980) обнаружили, что только Zn2 + способен катализировать добавление имидазол-активированного гуанина к цепи матрицы polyC. Для тех, кто не знает, имидазолактивированные нуклеотиды - это нуклеотиды с имидазолом, присоединенным к их фосфатным группам. Поскольку имидазолы являются хорошими выходящими группами, реакции нуклеофильного замещения, приводящие к химическому лигированию нуклеотидных мономеров, могут происходить гораздо легче. В то же время о синтезе имидазол-активированных нуклеотидов в пребиотически правдоподобных условиях пока не сообщалось. Таким образом, несмотря на то, что вышеупомянутые эксперименты действительно продемонстрировали неферментативную репликацию РНК, они сделали это таким образом, который не мог реально произойти на ранней Земле. Значит, мы зашли в тупик? Не совсем, во всяком случае, вышеприведенные эксперименты показали, что Mg2 + и Zn2 + могут способствовать копированию РНК. Эта часть является ключевой, потому что, когда мы смотрим на активные сайты известных ДНК и РНК-полимераз, мы обнаруживаем, что они содержат ионы Mg и Zn. Эти ионы чаще всего хелатируются аспартатом и глутаматом ( примечание: термин хелат относится к органическим соединениям, которые присоединены к иону металла в нескольких точках ). Тот факт, что эти две аминокислоты могут быть получены из промежуточных продуктов цикла Кребса, говорит о том, что они, возможно, были довольно распространены на ранней Земле. Таким образом, можно было бы ожидать, что комплексы белок-металл могли быть первыми РНК-полимеразами. Эти комплексы не были бы генетически закодированы, но они, вероятно, были настолько просты, что не должны были быть закодированы. Они могли спонтанно образоваться вместе с РНК и оказаться включенными в первые протоклетки. Конечно, такая репликация происходила бы гораздо медленнее и неэффективнее, чем если бы она катализировалась высокоразвитыми полимеразными ферментами, известными нам сегодня. Но даже в этом случае, по крайней мере, мы можем сказать, что существовал какой-то механизм, который мог бы позволить репликации происходить в реалистичных ( то есть часовых ) масштабах времени. Как только вам удастся прикрепить связку комплементарных оснований к нити, теперь вы должны разделить их, чтобы начать следующий цикл репликации. Одним из способов, которым это могло произойти, был тепловой цикл. Клетки ( или даже одиночные полимеры ) могли циркулировать через горячие и холодные области в гидротермальном жерле или источнике. В жарких регионах нити РНК разорвались бы. В холодных регионах может происходить направленная на матрицу полимеризация. В качестве альтернативы полимеризация, при которой образуется смесь 3 '-5' и 2'5' связей, также может облегчить разделение нитей. В то время как современные ферменты очень искусны в присоединении нуклеотидов к 3'–ОН-группе, нельзя ожидать, что первые ферменты или даже хелатированные металлы могут быть настолько специфичными. Скорее всего, первые полимеры РНК содержали смесь этих связей, что делало их довольно неуклюжими, но все же функциональными Вполне возможно, что жизни в том виде, в каком мы ее знаем, предшествовали вирусоподобные существа. В то же время вирусы - это паразиты, поэтому без какой-либо жизни вокруг них они не могли бы существовать. Чтобы размножаться, первые рибозимы должны были каким-то образом улучшить физическую форму клетки-хозяина, а не уменьшить ее. Вирусы могли эволюционировать только после того, как существовала стабильная популяция протоклеток. Тем не менее, изучение вирусов действительно может пролить свет на происхождение жизни. В частности, два вирусных фермента, обратная транскриптаза и РНК-зависимая РНК-полимераза (РдРп), могут быть молекулярными окаменелостями эпохи, когда РНК была основным генетическим полимером. RdRp является ключевым фактором в том, что он может осуществлять репликацию РНК без какого-либо участия ДНК. С другой стороны, обратная транскриптаза может копировать РНК в ДНК. Отсюда легко представить, что входит РНК-полимераза и превращает ее обратно в РНК. Поскольку ДНК более стабильна, чем РНК, и с меньшей вероятностью образует вторичные структуры из-за отсутствия гидроксила на одном из ее атомов углерода, вполне возможно, что первые клетки эволюционировали, используя ДНК исключительно для хранения генетической информации, позволяя при этом РНК играть более каталитическую роль. Учитывая, что ферменты, участвующие в репликации ДНК, НЕ гомологичны археям и бактериям, вполне правдоподобно предположить, что протоклетки использовали комбинацию обратной транскриптазы и РНК-полимеразы для осуществления репликации ДНК. На самом деле эта форма репликации все еще используется ретровирусами сегодня. Разумно предположить, что вирусы действительно могут представлять собой линии протоклеток, эволюционировавших в вирусы. В любом случае странно думать, что пребиотическая Земля породила только две области жизни ( то есть бактерии и археи ). Конечно, их должно было быть больше. Со временем конкуренция и естественный отбор благоприятствовали бы более продвинутым протоклеткам (то есть предшественникам прокариот). Что же касается менее развитых протоклеток, то они могли перейти к паразитизму просто для того, чтобы избежать конкуренции и воспользоваться ранее неиспользуемым источником энергии. На протяжении всей эволюции геномы этих клеток сокращались и становились высоко оптимизированными для заражения. Таким образом, в некотором смысле некоторые вирусы можно считать окаменелостями давно вымерших доменов. ============================ Подробнее о происхождении РНК Ранее я в основном сосредоточился на путях пребиотического синтеза, которые приводят к нуклеотидам, а также сравнивал альтернативы пуринам и пиримидинам. Также я немного коснулся РНК-полимеров и того, как они могли реплицироваться, однако в этот раз я планирую более подробно остановиться на происхождении репликации РНК. Первичная репликация РНК Как реплицировались первые РНК? Эта часть чрезвычайно важна. Один РНК-полимер практически бесполезен, если его нельзя скопировать или передать дочерним клеткам. Исследователи предложили несколько механизмов, которые включают в себя такие вещи, как рибозимы или химически активированные нуклеотиды. Давайте сначала посмотрим на рибозимы. В своем последнем посте я утверждал, что в лаборатории не было произведено ни одного рибозима, способного копировать себя. Это не совсем так. Недавняя статья 2020 года Tjhung et al. описала in vitro эволюция рибозимной РНК-полимеразы, способной копировать три коротких олигонуклеотида, которые спонтанно самособираются в исходный фермент. Кроме того, этот рибозим, также известный как полимераза 38-6, может реплицировать другие РНК. Авторы исследования продемонстрировали, что он способен копировать молекулу тРНК дрожжей, хотя и довольно медленно ( выход всего 2,4% через пять дней ). Так что да, похоже, что была достигнута полностью самовоспроизводящаяся молекула РНК. Но, конечно, есть и недостатки. Во-первых, полимераза 38-6 не очень точна. На одну нить его частота мутаций составляет около 8%, хотя в некоторых областях ( например, пятнах со сложными вторичными структурами ) она может достигать 40%. Таким образом, только небольшая часть рибозимов, собранных полимеразой 38-6, фактически сохраняла каталитическую активность. И этот рибозим тоже не взялся ниоткуда. Скорее всего, он получен из лигазы класса I, которая, в свою очередь, является продуктом сотен раундов селекция in vitro на пуле случайных молекул РНК. Очевидно, что это не то, что происходит случайно. Такой рибозим может быть только продуктом эволюции путем естественного отбора. Больше ничего. Поэтому идея о том, что возникновение жизни было вызвано спонтанным образованием какой-то самовоспроизводящейся РНК, является мифом. Значит ли это, что рибозимные РНК-полимеразы никогда не существовали? Конечно, нет. Рибозимы, подобные полимеразе 38-6, определенно могли появиться со временем из-за селективного давления. Однако их эволюция должна была бы дополнить какой-то другой путь репликации РНК. В противном случае мы приходим к проблеме курицы и яйца, где рибозимы необходимы для репликации, но не могут эволюционировать, если механизм репликации РНК уже не существует. Теперь, когда мы избавились от рибозимных полимераз, давайте вернемся к химически активированным нуклеотидам. Важно понимать, что современные клетки не просто соединяют нуклеотидмонофосфаты вместе и заканчивают свой день. Вместо этого фосфат должен быть присоединен к хорошей уходящей группе LG, который используется большинством живых организмов, представляет собой молекулу пирофосфата ( то есть два неорганических фосфата, присоединенных друг к другу ). Группа –OH на молекуле рибозы действует как нуклеофил, который атакует фосфат и вызывает выход пирофосфатной части. Если нуклеотид не присоединен к хорошей уходящей группе (то есть он не активирован ), то полимеризация не происходит. Пирофосфат - достаточно хорошее вещество для современных клеток. Однако одним из ключевых аспектов фосфатов является то, что они не действуют как хорошие ЛГС без ферментов (см. Это эссеХотя это полезно для предотвращения множества нежелательных химических реакций в клетке, это означает, что свободно плавающие нуклеотидтрифосфаты на самом деле не хотят собираться сами по себе. Но могли ли протоклетки использовать какую-то другую, более реактивную уходящую группу? Вероятной альтернативой пирофосфату мог бы стать 2-аминоимидазол. В своем последнем посте я утверждал, что пребиотический синтез имидазол-активированных нуклеотидов не был продемонстрирован. В статье 2018 года, Mariani et al. описывают синтез имидазол-активированных нуклеотидов с использованием метилизоцианида в качестве катализатора. Во всяком случае, это потребовало бы, чтобы эти активированные нуклеотиды производились в изобилии. Чтобы это было возможно, пребиотическая среда должна была бы быть обогащена молекулами имидазола и метилизоцианида. Поскольку обе эти молекулы получены из HCN и фотохимии, вполне вероятно, что они могли быть в изобилии на ранней Земле. Безусловно, необходимы дополнительные исследования, но я думаю, что есть основания полагать, что имидазол-активированные нуклеотиды играют важную роль в репликации первичной РНК. Интересно, что ионы Mg и Zn значительно ускоряют полимеризацию, как это происходит в активных центрах современных полимераз. Введение — мир РНК Каким-то образом жизнь появилась на этой планете примерно четыре миллиарда лет назад. Как именно это произошло, остается одной из величайших загадок всей биологии. Одной из самых популярных гипотез происхождения жизни является гипотеза мира РНК которая предполагает, что происхождение жизни было обусловлено образованием и эволюцией каталитически активных молекул РНК ( то есть рибозимов ). В отличие от всех других биологических макромолекул, РНК обладает уникальной способностью как принимать стабильную вторичную структуру, так и действовать как фермент и служить шаблоном для собственной репликации. Белки или полипептиды обладают способностью складываться в гораздо более разнообразные формы и выполнять химические реакции гораздо эффективнее, чем РНК, однако не существует механизма их копирования in situ на уровне последовательностей. С другой стороны, ДНК - довольно стабильная молекула и отлично хранит генетическую информацию, но в отличие от РНК она не способна сворачиваться в каталитически активную структуру ( за редким исключением ). Считается, что эти свойства сделали РНК способной претерпевать эволюцию путем естественного отбора. Нити, которые могли складываться в стабильные трехмерные структуры и катализировать реакции, делающие их собственную репликацию более благоприятной, имели тенденцию производить больше “потомков”. Естественно, были отобраны мутации в нуклеотидной последовательности этих дочерних цепей, которые увеличивали их каталитические возможности; они становились все более распространенными за счет цепей с вредными или нейтральными мутациями. Отсюда нетрудно представить, как популяции простых рибозимов могли постепенно усложняться с течением времени, что заложило основу для эволюции более сложных биохимических систем. Эта гипотеза подтверждается центральным положением РНК в клеточной биохимии. Наиболее очевидным примером этого является рибосома. Рибосома - это макромолекулярный комплекс, который сшивает аминокислоты вместе для создания белков. Несмотря на то, что он состоит как из белков, так и из РНК, основной каталитический компонент ( то есть пептидилтрансферазный центр ) состоит исключительно из РНК. Все, в чем помогают белки, - это стабилизация структуры рибосомы. Кроме того, аминокислоты доставляются в рибосому молекулами тРНК, которые, как следует из их названия, также состоят из РНК. Есть еще примеры каталитических/функциональных РНК как в клетках, так и в вирусах, но я думаю, что вы поняли идею. Если вы хотите узнать больше, это источник дает довольно хороший обзор того, что мы знаем о рибозимах в природе. Поскольку РНК так сильно участвует в синтезе генетически кодируемых белков, логично предположить, что они были предшествованы каталитической РНК. В дополнение к естественным рибозимам, эксперименты по эволюции in vitro дали разнообразный зверинец искусственных рибозимов, которые могут катализировать реакции полимеризации и лигирования, которые, как полагают, был необходим для репликации первых нитей РНК на пребиотической Земле. Для получения дополнительной информации этот источник - хорошее место для начала. Проблемы Однако, несмотря на его широкое признание, в мире РНК существуют вопиющие проблемы. Некоторые исследователи даже дошли до того, что назвали ее “худшей теорией ранней эволюции жизни (за исключением всех остальных)” (Bernhardt et al. 2012). Одна из распространенных критик заключается в том, что молекулы РНК, состоящие из “правильных” сахаров и оснований ( в отличие от их бесчисленных аналогов ) и связанные друг с другом таким же образом, как современная РНК, не могли возникнуть пребиотически. Пребиотическая химия, вероятно, была очень запутанной; любые РНК-подобные полимеры, полученные из нее, почти наверняка имели очень неправильную структуру. Другая проблема заключается в том, что канонические нуклеиновые основания ( т.е. аденин, урацил, гуанин и цитозин ) автоматически не образуют пар оснований в воде. Свободно плавающие нуклеиновые основания скорее будут взаимодействовать с окружающими молекулами воды, чем друг с другом. Это создает проблемы для неферментативной репликации. Проще говоря, свободно плавающие нуклеотиды имеют небольшую склонность собираться на шаблонную нить. Некоторые исследователи пытались сделать добавление нуклеотидов к шаблонной цепи более благоприятным путем присоединения их к определенным химическим активирующим группам. Однако эти активирующие группы не похожи ни на что из того, что используется современными биохимическими системами. Тот факт, что канонические нуклеобазы не любят спариваться, также приводит к тому, что Николас Худ и его коллеги называют "Парадоксом спаривания оснований". Они задают вопрос: "Почему пребиотическая химия соединила канонические нуклеиновые основания вдоль общей цепи, чтобы они образовывали пары оснований, если мономеры не образовывали пары оснований до полимеризации?" Крайне маловероятно, что группа строительных блоков могла бы собраться вместе, чтобы сформировать полимер, способный соединяться с комплементарной нитью, не будучи предварительно выбранным на предмет их способности соединяться основаниями. Можно себе представить, что пребиотическая среда, вероятно, содержала разнообразный ассортимент нуклеиновых оснований с различными ( или даже несуществующими ) структурами водородных связей. Нет никакого способа, чтобы РНК-подобные полимеры могли случайным образом собираться без какого-либо включения непарных компонентов, что сделало бы репликацию полученной нити практически невозможной. Наконец, существует проблема N-гликозидов. Сахара и нуклеозиды не связываются благоприятно в воде с образованием нуклеозидов. Это большая проблема, потому что сахара ( то есть рибоза, дезоксирибоза ) являются ключевыми компонентами каркаса, удерживающего нуклеиновые кислоты вместе. Были достигнуты некоторые успехи в экспериментах с участием пуринов, таких как аденин и инозин, но почти никаких - с пиримидинами. И даже в случае аденина сахар скорее образует связь с экзоциклической аминогруппой (NH2), чем с атомами азота в кольце. В совокупности получается, что молекулы РНК просто не могут образовываться спонтанно. Неудивительно, что некоторые называют РНК “кошмаром химика-пребиотика". Это резко контрастирует с пептидами, компоненты которых ( аминокислоты ) не только образуются очень легко, но и могут быть тривиально связаны друг с другом обезвоживанием. Из-за этого некоторые исследователи предложили белковый сценарий происхождения жизни, где короткие пептиды могли бы привести к ранней эволюции, прежде чем быть замененными рибозимами. Но, как уже упоминалось, пептиды не могут передавать информацию о своей последовательности дочерним нитям, что делает их неспособными пройти дарвиновскую эволюцию. Ранняя эволюция жизни требовала нуклеиновых кислот. Так есть ли решение многочисленных проблем с Миром РНК? ПРОТОРНК Но, может быть, только может быть, РНК не была первой генетической молекулой жизни. Возможно, ему предшествовала макромолекула, которая образовалась более спонтанно. Эта идея была представлена в знаковой статье под названием “Происхождение РНК и топор моего дедушки, который был передан от дедушки к отцу, который затем заменяет “палочную” часть, когда она изнашивается. Топор передается сыну отца, который заменяет ему лезвие. Вопрос в том, тот ли это топор, который был у деда. Хорошо, но какое отношение их аналогия имеет к РНК? Авторы предположили, что РНК могла предшествовать какая-то другая молекула с почти той же функцией, но, возможно, с другим химическим составом. Такая молекула должна была бы иметь те же самые “части”, которые они перечисляют как ионизированный линкер (IL), трехфункциональный соединитель (TC) и блок распознавания (RU). Сохраняя все основные компоненты одинаковыми, легко увидеть, как система сможет адаптироваться к включению молекул, которые более эффективно выполняют эти функции. Итак, каковы же были компоненты первых молекул "РНК"? Начнем с блока распознавания. Молекулы РНК - это нуклеиновые основания, которые соединяются друг с другом посредством водородных связей. Исследования Николаса Хада и его коллег из Центра химической эволюции показали, что два пиримидина, барбитуровая кислота (BA) и триаминопиримидин (TAP), могут самособираться, образуя гексады в воде. Затем эти гексады могут укладываться друг на друга, образуя длинные нековалентные полимеры. Такое поведение наблюдается также у их триазиновых аналогов - меламина (МА) и циануровой кислоты (СА). Кроме того, водородные связи, удерживающие гексады вместе, поразительно похожи на те, которые наблюдаются между аденином и урацилом в РНК. Гексады, образованные из различных видов нуклеиновых оснований. При образовании этих длинных нековалентных стеков большое количество нуклеиновых оснований помещается в непосредственной близости. Это способствовало появлению костяка, связывающего их вместе. Таким образом, вместо того, чтобы нуклеотиды полимеризовались и затем образовывали пары оснований, эта модель предполагает, что остов развивался вокруг нуклеобаз, которые уже образовывали пары оснований, что таким образом, это решает парадокс спаривания оснований. Остов РНК содержит рибозу в качестве TC и фосфат в качестве IL. Эксперименты показали, что BA, MA и TAP могут соединяться с рибозой в воде с образованием нуклеозидов с очень хорошим выходом (25-82%). Напротив, ни одно из канонических нуклеобаз не легко гликозилируется рибозой ( отсюда и проблема N-гликозилирования ). Нетрудно представить, что сахара могли прикрепиться к этим длинным шестиугольникам, прежде чем стать связанными вместе добавлением фосфатов. Однако рибозе и фосфату также могли предшествовать различные ТКС и ИЛ. Исследования показали, что структура рибозы оптимальна для функций РНК, что указывает на то, что использование рибозы в РНК может быть результатом эволюционной оптимизации. Это тоже имеет смысл, учитывая, что рибоза, вероятно, была редкостью на пребиотической Земле; она производилась в небольших количествах в результате реакции формозы, поэтому первые нуклеиновые кислоты, вероятно, были связаны разнообразным набором различных молекул, будь то сахара или что-то еще. Есть также основания сомневаться в использовании фосфата в качестве первичного ИЛ. Образование фосфодиэфирных связей между нуклеотидами неблагоприятно в воде, за исключением сильно кислых условий. Это не значит, что полимеризации РНК не могли способствовать другие факторы, такие как глиняные катализаторы. Однако возникает вопрос о том, предшествовали ли фосфодиэфирные связи чему-то такому, что могло бы легче образоваться в пребиотических условиях. Одна из идей, выдвинутых доктором Дэвидом Фиальо, состоит в том, что первые обратные цепи РНК состояли из депсипептидов ( то есть полимеров, содержащих смесь аминокислот и гидроксикислот ). Мономеры образовывались из комбинации функционализованных нуклеиновыми основаниями гидроксикислот с аминокислотами, содержащими отрицательно заряженную боковую цепь ( например, аспартат ). Отрицательная боковая цепь функционировала бы подобно фосфату как ионизированный линкер. Эксперименты показали, что эти молекулы могут собираться в теплой воде без помощи каких-либо внешних катализаторов. Даже полимеры, содержащие только аминокислоты, могли функционировать как примитивные хребты. Исследование 2019 года, проведенное Rodriguez et al. установлено, что большинство нуклеиновых оснований могут получать короткие боковые цепи карбонильных или карбоновых кислот, вступая в реакцию с многочисленными небольшими молекулами, которые, вероятно, присутствуют в пребиотических условиях. Эти молекулы являются важными предшественниками пептидно-нуклеиновых кислот, что придает правдоподобие идее о том, что PNAs могли сыграть важную роль в ранней эволюции жизни. Как только на месте образуется остов, диссоциация этих гексад приводит к образованию шести зарождающихся нитей ПРОТОРНК. Затем каждая нить может служить шаблоном для формирования еще одной нековалентно связанной гексады. Оттуда считается, что влажные и сухие циклы могли способствовать репликации и отбору этих нитей. Нити, которые смогли принять стабильные 3D-структуры во время влажных периодов, возможно, лучше сопротивлялись гидролизу и, таким образом, могли держаться дольше. Следовательно, образование полимеров со стабильными вторичными структурами, возможно, обеспечило легкий путь к появлению каталитических “проторибозимов”. Таким образом, в отличие от РНК, химия, управляющая полимеризацией и репликацией "шестигранных полимеров", происходит без необходимости в сложной химической среде или активирующих агентах, что делает гипотезу самосборки очень привлекательной с пребиотической точки зрения. Путь к РНК Как РНК возникла из ПРОТОРНК? Это сложный вопрос, на который у нас еще нет ответа, так одна из возможностей состоит в том, что эволюция РНК проходила через несколько стадий, когда ее структура была сильно гетерогенной, прежде чем со временем стать более однородной. MA и TAP имеют сходные структуры водородных связей с аденином и диаминопурином. CA и BA похожи на урацил. Вполне возможно, что эти и канонические нуклеобазы взаимозаменяемо использовались ПРОТОРНК во время репликации. Это вряд ли нанесло бы серьезный ущерб функциональности полимеров. На самом деле полимеры ПРОТОРНК выиграли бы от включения канонических нуклеотидов. Моделирование показывает, что пи-стекинговые взаимодействия между CA и TAP, а также BA и MA не так сильны, как между аденином и урацилом. Пи-взаимодействия между нуклеобазами являются важным фактором стабильности ДНК и РНК. Это означает, что полимеры, содержащие более высокий процент аденина и урацила, могут принимать более стабильные структуры, что приводит к увеличению функциональности. Отсюда нетрудно представить себе, что протоклетки эволюционируют, чтобы избирательно включать канонические нуклеиновые основания в структуру своих РНК-полимеров. Эволюция позвоночника, возможно, была более сложной. Пептидные и депсипептидные хребты вряд ли похожи на сахаро-фосфатные остовы в РНК. Так как же они могли перейти? Поскольку гексад-образующие РУс легко образуют нуклеозиды при смешивании с различными сахарами, вполне вероятно, что пребиотическая среда содержала меланж нуклеозидов и мономеров ПНК. Это, возможно, создало проблемы для репликации нитей ПРОТОРНК. Однако, с другой стороны, вполне возможно, что проторибозимные полимеразы/лигазы эволюционировали, чтобы использовать эти разнообразные строительные блоки для производства различных видов нуклеиновых кислот. Сосуществование полимеров нуклеиновых кислот, соединенных вместе различными спинными костями для выполнения различных ролей, является особенностью современных клеток. Я говорю о ДНК и РНК. Сахара, которые их соединяют, дезоксирибоза и рибоза, отличаются тем, что рибоза имеет внешнюю гидроксильную (OH) группу, которой нет у дезоксирибозы. Это незначительное различие делает РНК лучше складывающейся в 3D-формы, в то время как ДНК менее склонна взаимодействовать сама с собой; особенность, которая делает ее отличной для хранения генетической информации. То же самое могло произойти в самом начале истории жизни. Некоторые полимеры могли лучше хранить генетическую информацию, а другие - лучше катализировать. В любом случае, протоклетки выиграли бы от наличия нескольких видов вокруг. Если бы существовал только один вид полимера, его эволюция была бы ограничена необходимостью служить матрицей для его репликации и осуществлять каталитическую активность. Клетки могут синтезировать связанные с сахаром РНК, используя в качестве матриц полимеры с различными обратными связями ( например, депсипептиды ). По мере того как проторибозимы полимеразы/лигазы становились более специфичными, они селективно включали нуклеозиды, содержащие наиболее "оптимальный" сахар ( то есть рибозу ). Универсальность рибозо-РНК привела к тому, что она стала играть более важную роль в метаболизме и репликации протоклеток до тех пор, пока полностью не заменила ПРОТОРНК. Гипотезы самосборки и ПРОТОРНК предлагают решения многих давних проблем, связанных с Миром РНК. Однако важно иметь в виду, что идея прото-РНК, несмотря на то, что ее корни уходят в 1990-е годы, на самом деле получила известность только в последнее десятилетие. До сих пор остается так много вопросов без ответа о пути от ПРОТОРНК к РНК. Будущие эксперименты могут найти ответы на некоторые из них или, возможно, даже сделать открытия, которые полностью перевернут наши нынешние представления о мире РНК.