Жизнь на Земле: обнаружена новая химическая реакция, которая могла ее вызвать
Формозная реакция — одна из наиболее вероятных автокаталитических реакций, имевших место на первобытной Земле. В новом исследовании ученые обнаружили, что добавление в эту реакцию соединения, называемого цианамидом, могло привести к образованию рибонуклеотидов — молекул, из которых состоят РНК и ДНК, являющиеся составными частями всего живого на планете.
Все живое на Земле состоит из ДНК, которая сама по себе состоит из двух связанных нитей РНК. Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) предполагают, что автокаталитические реакции могли сыграть определенную роль в создании рибонуклеотидов, образующих РНК, и, следовательно, в появлении жизни. Эти первозданные связи известны как «хемотоны», они способны расти, делиться и эволюционировать. Для этого они питаются от автономной автокаталитической системы, способной постоянно поставлять субстраты для протекания одних и тех же реакций снова и снова.
Например, для создания клетки автокаталитическая реакция предоставляет субстрат для двух других автокаталитических циклов, обеспечивающих синтез генетического полимера и производство компонентов (например, липидов) для структуры клетки. Этот тип реакций также играет важную роль в регуляции многих биологических процессов, таких как сердцебиение и деление клеток.
В контексте пребиотической химии различные автокаталитические реакции изучались независимо друг от друга. Однако вопрос о том, как эти реакции могут быть объединены для создания молекул, лежащих в основе жизни, мало изучен. Новое исследование UNSW направлено на интеграцию автокатализа, в частности формозной реакции (важной химической реакции для синтеза сахаров), с химическим путем, известным для получения предшественников нуклеотидов. Исследовательская группа предполагает, что существует большая вероятность того, что именно такие условия имели место при наличии простых молекул и сложных условий, существовавших на первобытной Земле.
Более стабильные предшественники нуклеотидов
Открытая в 1861 году русским химиком Александром Бутлеровым формозная реакция считается одной из основных автокаталитических реакций, которая могла протекать до появления жизни на Земле, благодаря обилию сырья и необходимым условиям. В основном она заключается в полимеризации формальдегида с образованием сахаров, например пентоз. Реакция начинается с присоединения альдола между гликольальдегидом и формальдегидом (CH2O) с образованием глицеральдегида. Последующее присоединение альдола и формальдегида приводит к сложной цепочке реакций, в результате которых образуются молекулы сахара. Реакции продолжаются до тех пор, пока не закончится формальдегид и продукты не начнут распадаться с образованием смол.
Таким образом, эта реакция могла быть источником рибозы для образования рибонуклеотидов (связывание нуклеинового основания с рибозой). Кроме того, она имеет общие компоненты с биохимическим путем Паунера-Сазерленда (предложенным для объяснения происхождения жизни), известным именно для синтеза рибонуклеотидов. Однако до сих пор эти две реакции не были связаны между собой.
На самом деле формозная реакция является крайне неселективной, то есть помимо желаемых продуктов в ней образуется множество других нежелательных молекул. «В целом химики стремятся избегать сложностей, чтобы максимизировать количество и чистоту продукта. Однако такой редукционистский подход может помешать нам изучить динамические взаимодействия между различными химическими путями«, — поясняет ведущий автор нового исследования Куок Фуонг Тран (Quoc Phuong Tran) из UNSW.
Однако важно отметить, что маловероятно, что формальдегид и другие простые сахара существовали на первобытной Земле в виде чистых смесей. Скорее всего, эти соединения сосуществовали с другими пребиотическими молекулами. Однако мало что известно о том, как эти молекулы влияют на кинетику формозной реакции и распределение продуктов.
В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Chemical Science, сотрудники UNSW попробовали добавить к формозной реакции цианамид (простое химическое соединение, используемое в сельском хозяйстве и синтезе лекарств). Гипотеза заключается в том, что это позволит произвести самоотбор ключевых молекул для образования рибонуклеотидов. Более конкретно, «добавление цианамида переключает формозную реакцию на синтез нуклеотидных предшественников, что проявляется в изменении кинетики и распределения продуктов«, — поясняют авторы в своей работе.
Влияние цианамида и 2-аминооксазола (2-NH2Ox) — продукта его циклизации (химической реакции, в которой молекулы соединяются в кольцо) с гликоальдегидом (другим простым органическим соединением) — на кинетику (скорость и ход) формозной реакции определялось с помощью различных методов, таких как высокоэффективная жидкостная хроматография (метод разделения компонентов смеси).
Реакция цианамида с гликольальдегидом с образованием 2-NH2Ox является интермедиатом (этапом) в пути Паунера — Сазерленда. Было установлено, что, в отличие от 2-NH2Ox, цианамид оказывает ингибирующее действие на кинетику этой реакции. Кроме того, автокаталитический синтез (реакция, в которой продукт способствует ускорению самой реакции) сахаров может быть эффективно использован для получения предшественников нуклеотидов (строительных блоков ДНК и РНК). Хотя они и не производились в больших количествах, но были более стабильными и менее подверженными деградации, чем те, которые синтезировались в результате других реакций. «Такие взаимодействия, которые происходят повсеместно в реальном мире за пределами лаборатории, несомненно, являются связующим звеном между химией и биологией«, — считает Тран.
Более того, эта реакция позволит производить 2-NH2Ox, широко используемый в фармакологии, в промышленных масштабах и с меньшими затратами. Традиционное производство этого соединения требует добавления цианамида и гликольальдегида, последний из которых особенно дорог. Формозная реакция требует лишь очень небольшого количества гликольальдегида и может осуществляться в несколько циклов.