Ett av de viktigaste vetenskapliga problemen som forskare runt om i världen arbetar med är livets ursprung på jorden. Under de senaste decennierna har många framgångar uppnåtts inom detta område, till exempel har RNA-världen utvecklats. Det är emellertid fortfarande okänt hur exakt molekylerna som fungerade som livets första "byggstenar" uppstod. Tidskriften Science publicerade en artikel som svarar kanske på den viktigaste frågan: var kom nukleotiderna som utgör RNA ifrån. "Lenta.ru" avslöjar detaljerna i studien och berättar om dess betydelse.
Enligt moderna vetenskapliga begrepp härstammade livet från organiska föreningar som reagerade med varandra för att skapa nyckelmolekyler - nukleosider. Det är känt att nukleosiden bildas av sockerribos eller deoxiribos och en av fem kvävebaser: adenin, guanin, tymin, cytosin eller uracil. Nukleosider är föregångare till nukleotider, varav DNA och RNA i sin tur består. För att en nukleosid ska förvandlas till en nukleotid krävs en ytterligare komponent - fosforsyrarester.
Varför kommer nukleosider fram? Denna fråga besvaras av ett vetenskapligt begrepp som kallas hypotesen om RNA-världen, som tror att det var RNA som stod vid livets ursprung. Molekylerna med ribonukleinsyror var de första som genomförde katalysen av kemiska reaktioner i den primära soppan, lärde sig att kopiera sig själva och varandra och, viktigast av allt, medföra ärftlig information. Dessa RNA kallas ribozymer. Om någon RNA-molekyl hade förmågan att syntetisera sina egna kopior, överfördes denna egenskap från generation till generation. Ibland åtföljdes kopiering av fel, vilket resulterade i att nya RNA fick mutationer.
Mutationer kan allvarligt skada molekylers katalytiska egenskaper, men de kan också förändra RNA och ge det nya förmågor. Till exempel har forskare funnit att vissa mutationer påskyndar självkopieringsprocessen och de förändrade ribozymema efter en stund börjar dominera över de "normala". Molekylärbiologer under ledning av Brian Pegel från Scripps Research Institute i Kalifornien har observerat hur den enzymatiska aktiviteten hos ribozzymer under loppet av tre dagars utveckling i ett laboratorium ökade 90 gånger. Därför, även om ribozymer från början inte var särskilt aktiva, kunde molekylär evolution förvandla dem till idealiska katalytiska maskiner.
Ändå har hypotesen om RNA-världen ett antal svårigheter. Till exempel är det inte känt hur de abiogena, det vill säga, utan deltagande av levande organismer, syntes av de första ribozymema skulle kunna uppstå. Även om många argument har hittats till förmån för RNA-världen, förblir nyckelfrågan - hur det kom till - en snubblande.
Vissa forskare föreslår att de kemiska föreningarna från vilka nukleosider bildades inte kunde uppstå under markförhållanden utan fördes till planeten från rymden. Det är emellertid värt att notera att problemet är förknippat med purinnukleosider - adenosin respektive guanosin, innehållande adenin respektive guanin. För pyrimidinmolekyler som innehåller cytosin, tymin eller uracil är syntesvägar kända som mycket väl kan existera vid livets ursprung. Domino-liknande kemiska reaktioner leder till bildning av stora mängder av de erforderliga pyrimidinerna.
Kampanjvideo:
Forskare har föreslagit en möjlig väg för bildning av purinnukleosider, men det kan leda till uppkomsten av många andra föreningar, bland vilka de erforderliga nukleosiderna endast skulle vara en liten fraktion. Bara borstning av puriner kommer inte att fungera, eftersom de inte bara är integrerade komponenter i RNA och DNA, utan också bildar adenosintrifosfat (ATP), som är involverat i metabolismen av energi och ämnen i kroppen, och guanosintrifosfat, som fungerar som en energikälla för proteinsyntes.
Ett enkelt sätt att bilda en nukleosid som adenosin är att kombinera adenin med ribos i närvaro av NH4OH. Ribos fäster vid en av adeninkväveatomerna, bara den har flera av dem, och endast kväve i nionde position bör delta i syntesen av adenosin. Dessutom visar det sig att denna kväveatom inte är mycket reaktiv. Detta betyder att om hypotesen om RNA-världen är korrekt (vilket är mer än troligt) måste det finnas något annat sätt att syntetisera adenosin och guanosin i den primära buljongen.
I en ny studie har forskare föreslagit en annan väg för syntesen av purinnukleosider som löser problemet och stärker positionen för begreppet RNA-världen. Det hela börjar med aminopyrimidinmolekyler, som lätt bildas av en så enkel förening som NH4CN. Detta sker genom bildning av guanidin, det reagerar sedan med aminomalonitril, vilket resulterar i bildandet av en tetraaminopyrimidinmolekyl. Den oxiderar lätt i en syrehaltig miljö, men förblir stabil i den syrefria atmosfären som var karakteristisk för jorden före livets födelse. Förutom tetraaminopyrimidin kan andra liknande molekyler bildas: triaminopyrimidinon och triaminopyrimidin. Alla dessa föreningar är lättlösliga i vatten.
Det viktigaste är att för alla tre aminopyrimidiner är bara en viss kväveatom reaktiv, och detta löser problemet med deltagande i reaktionen hos andra atomer, som är karakteristiskt för adenin. Den surgjorda miljön leder till det faktum att kväveatomer i ringen fäster protoner och blockerar alla yttre aminogrupper, med undantag av en som ligger i femte position. När en blandning av aminopyrimidiner och myrsyra värms upp bildas endast en möjlig förening - formamidopyrimidin. Reaktionsutbytet är 70 till 90 procent.
Formamidopyrimidin, trots dess likhet med puriner, saknar deras nackdelar. Kväveatomen i nionde läget, som det visade sig, är den mest reaktiva, och reaktionen med ribos i ett alkaliskt medium leder alltid till samma resultat: syntesen av kolskelett för purinkärnor. Intressant nog är formamidopyrimidin aktivt involverat i bildandet av ribos från glykolaldehyd och glyceraldehyd, vilket underlättar syntesen av nukleosider i en ammoniakmiljö. I allmänhet har forskare lyckats upptäcka en väg för bildning av nukleotidprekursorer från de enklaste ammoniakderivaten. Sådana derivat hittades nyligen på Churyumov-Gerasimenko-kometen, vilket bekräftar synvinkeln om kometernas aktiva deltagande i att förse jorden med allt som behövs för livets uppkomst.
Kemisk utveckling väcker emellertid många fler frågor, och för att besvara dem krävs forskares insatser över hela världen. Den fullständiga bilden av abiogenes bör inte bara beskriva uppkomsten av nukleotider och andra organiska molekyler utan deltagande av levande organismer, utan också deras interaktion i förhållandena i den tidiga jorden, interaktionen som ledde till bildandet av de första cellerna.
Alexander Enikeev
