Jednym z głównych problemów naukowych, nad którymi pracują naukowcy na całym świecie, jest pochodzenie życia na Ziemi. W ciągu ostatnich dziesięcioleci osiągnięto wiele sukcesów w tej dziedzinie, na przykład opracowano koncepcję świata RNA. Jednak wciąż nie wiadomo, w jaki sposób dokładnie powstały cząsteczki, które służyły jako pierwszy „budulec” życia. W czasopiśmie Science opublikowano artykuł, który odpowiada na być może najważniejsze pytanie: skąd pochodzą nukleotydy tworzące RNA. „Lenta.ru” ujawnia szczegóły badania i mówi o jego znaczeniu.
Zgodnie ze współczesnymi koncepcjami naukowymi życie powstało ze związków organicznych, które reagowały ze sobą, tworząc kluczowe cząsteczki - nukleozydy. Wiadomo, że nukleozyd jest tworzony przez rybozę cukrową lub dezoksyrybozę i jedną z pięciu zasad azotowych: adeninę, guaninę, tyminę, cytozynę lub uracyl. Nukleozydy są prekursorami nukleotydów, z których z kolei składa się DNA i RNA. Aby nukleozyd przekształcił się w nukleotyd, wymagany jest dodatkowy składnik - reszty kwasu fosforowego.
Dlaczego nukleozydy wysuwają się na pierwszy plan? Na to pytanie odpowiada koncepcja naukowa znana jako hipoteza świata RNA, która uważa, że to RNA stało się początkiem życia. Cząsteczki kwasów rybonukleinowych jako pierwsze przeprowadzały katalizę reakcji chemicznych w pierwotnym bulionie, nauczyły się kopiować siebie i siebie nawzajem oraz, co najważniejsze, przenosić informacje dziedziczne. Te RNA nazywane są rybozymami. Jeśli jakakolwiek cząsteczka RNA miała zdolność syntetyzowania własnych kopii, to ta właściwość była przekazywana z pokolenia na pokolenie. Czasami kopiowaniu towarzyszyły błędy, w wyniku których nowe RNA nabyły mutacje.
Mutacje mogą poważnie zaszkodzić właściwościom katalitycznym cząsteczek, ale mogą również zmienić RNA, nadając mu nowe możliwości. Na przykład naukowcy odkryli, że niektóre mutacje przyspieszają proces samokopiowania, a zmienione rybozymy po pewnym czasie zaczynają dominować nad „normalnymi”. Biolodzy molekularni pod kierownictwem Briana Pegela z Scripps Research Institute w Kalifornii zaobserwowali, jak aktywność enzymatyczna rybozymów wzrosła 90-krotnie podczas trzydniowej ewolucji w laboratorium. Dlatego nawet jeśli rybozymy były początkowo mało aktywne, ewolucja molekularna mogłaby przekształcić je w idealne maszyny katalityczne.
Niemniej jednak hipoteza świata RNA napotyka na szereg trudności. Na przykład nie wiadomo, w jaki sposób abiogeniczny, czyli bez udziału organizmów żywych, mogłaby zachodzić synteza pierwszych rybozymów. Chociaż znaleziono wiele argumentów przemawiających za światem RNA, kluczowe pytanie - jak do tego doszło - pozostaje przeszkodą.
Niektórzy naukowcy sugerują, że związki chemiczne, z których powstały nukleozydy, nie mogły powstać w warunkach ziemskich, ale zostały przywiezione na planetę z kosmosu. Warto jednak zauważyć, że problem jest związany z nukleozydami purynowymi - adenozyną i guanozyną, zawierającymi odpowiednio adeninę i guaninę. W przypadku cząsteczek pirymidyny zawierających cytozynę, tyminę lub uracyl znane są szlaki syntezy, które mogą istnieć u początków życia. Reakcje chemiczne podobne do domina prowadzą do powstania dużych ilości wymaganych pirymidyn.
Film promocyjny:
Naukowcy zaproponowali możliwy szlak powstawania nukleozydów purynowych, ale może to doprowadzić do pojawienia się wielu innych związków, wśród których wymagane nukleozydy stanowiłyby tylko niewielki ułamek. Samo strzepywanie puryn nie zadziała, ponieważ są one nie tylko integralnymi składnikami RNA i DNA, ale także tworzą trifosforan adenozyny (ATP), który bierze udział w metabolizmie energii i substancji w organizmie, oraz trifosforan guanozyny, który służy jako źródło energii do syntezy białek.
Prostym sposobem na wytworzenie nukleozydu takiego jak adenozyna jest połączenie adeniny z rybozą w obecności NH4OH. Ryboza przyłącza się do jednego z adeninowych atomów azotu, tylko że ma ich kilka, a w syntezie adenozyny powinien uczestniczyć tylko azot z pozycji dziewiątej. Ponadto okazuje się, że ten atom azotu jest mało reaktywny. Oznacza to, że jeśli hipoteza świata RNA jest poprawna (co jest bardziej niż prawdopodobne), musi istnieć inny sposób syntezy adenozyny i guanozyny w bulionie pierwotnym.
W ramach nowego badania naukowcy zaproponowali inną ścieżkę syntezy nukleozydów purynowych, która rozwiązuje problem i wzmacnia pozycję koncepcji świata RNA. Wszystko zaczyna się od cząsteczek aminopirymidyny, które łatwo tworzą się ze związku tak prostego jak NH4CN. Dzieje się to poprzez tworzenie guanidyny, która następnie reaguje z aminomalonitrylem, w wyniku czego powstaje cząsteczka tetraaminopirymidyny. Łatwo utlenia się w środowisku zawierającym tlen, ale pozostaje stabilny w atmosferze beztlenowej, która była charakterystyczna dla Ziemi przed narodzinami życia. Oprócz tetraaminopirymidyny mogą powstawać inne podobne cząsteczki: triaminopirymidynon i triaminopirymidyna. Wszystkie te związki są łatwo rozpuszczalne w wodzie.
Co najważniejsze, dla wszystkich trzech aminopirymidyn reaktywny jest tylko określony atom azotu, co rozwiązuje charakterystyczny dla adeniny problem udziału w reakcji innych atomów. Zakwaszone środowisko powoduje, że atomy azotu w pierścieniu przyłączają protony i blokują wszystkie zewnętrzne grupy aminowe, z wyjątkiem jednej znajdującej się na pozycji piątej. Podczas ogrzewania mieszaniny aminopirymidyn i kwasu mrówkowego powstaje tylko jeden możliwy związek - formamidopirymidyna. Wydajność reakcji wynosi od 70 do 90 procent.
Formamidopirymidyna, pomimo swojego podobieństwa do puryn, pozbawiona jest swoich wad. Jak się okazało, atom azotu na dziewiątej pozycji jest najbardziej reaktywny, a reakcja z rybozą w środowisku alkalicznym zawsze prowadzi do tego samego rezultatu: syntezy szkieletów węglowych dla nukleozydów purynowych. Co ciekawe, formamidopirymidyna aktywnie uczestniczy w tworzeniu rybozy z aldehydu glikolowego i aldehydu glicerynowego, ułatwiając syntezę nukleozydów w środowisku amoniaku. Ogólnie naukowcom udało się odkryć ścieżkę tworzenia prekursorów nukleotydów z najprostszych pochodnych amoniaku. Takie pochodne zostały niedawno znalezione na komecie Czuryumowa-Gierasimienko, co potwierdza pogląd o aktywnym udziale komet w zaopatrywaniu Ziemi we wszystko, co niezbędne do powstania życia.
Jednak ewolucja chemiczna rodzi o wiele więcej pytań, a odpowiedź na nie będzie wymagać wysiłków naukowców z całego świata. Pełny obraz abiogenezy powinien opisywać nie tylko pojawienie się nukleotydów i innych cząsteczek organicznych bez udziału organizmów żywych, ale także ich wzajemne oddziaływanie w warunkach wczesnej Ziemi, które doprowadziły do powstania pierwszych komórek.
Alexander Enikeev