Вопрос о том, как возникла жизнь на Земле, - это вопрос, который люди задают себе с незапамятных времен. Хотя ученые относительно уверены в том, когда это произошло, однозначного ответа на вопрос, почему это произошло, не было. Как аминокислоты, химические строительные блоки жизни, собрались примерно четыре миллиарда лет назад, чтобы создать первые белковые молекулы?
Пока этот вопрос остается без ответа, ученые делают новые открытия, которые могут помочь сузить его. Например, группа исследователей из Центра химической эволюции (CCT) Технологического института Джорджии недавно провела исследование, которое показало, как некоторые из самых ранних предшественников молекулы белка могли спонтанно соединяться, образуя цепь.
Исследование недавно появилось в Известия Национальной академии наук, Исследование было проведено доктором Мораном Френкелем-Пинтером из Технологии Джорджии и включало нескольких исследователей из CCT - при поддержке НАСА и Национального научного фонда (NSF) - при поддержке доктора Люка Лемана и доцента кафедры химии в Scripps Research, некоммерческий медицинский исследовательский институт.
В течение десятилетий ученые имели теории о том, как первые аминокислоты собрались вместе, чтобы сформировать белковые молекулы. К сожалению, все попытки проверить эти теории пока не увенчались успехом. Как объяснил доктор Леман:
«Как химия привела к сложной жизни - один из самых захватывающих вопросов, которые человечество обдумало. Есть много теорий о происхождении белков, но не так много экспериментальной лабораторной поддержки этих идей ».
Для их исследования исследовательская группа провела эксперимент, в котором небольшой набор аминокислот (лизин, аргинин и гистидин) был помещен вместе с тремя небиологическими конкурирующими аминокислотами. Кислоты были затем подвергнуты условиям, подобным тому, что, как полагают, существовало на Земле во время Хадейского Эона (около 4 миллиардов лет назад).
Это состояло из помещения выбранных аминокислот в воду, содержащую оксикислоты, которые, как известно, способствуют аминокислотным реакциям и были бы распространены на пребиотической Земле. Затем смесь нагревали до 85 °С (185 °F), который ускорил процесс реакции и вызвал испарение воды. Получающиеся химические реакции были затем изучены.
К их удивлению, биологические аминокислоты спонтанно сформировались в аккуратные сегменты, которые связаны друг с другом через α-аминогруппы. Эти группы состоят из азота и водорода и являются достаточно реакционноспособными. Тем не менее, они также являются частью ядра аминокислот и других аминов, которые образуют боковые цепи, которые простираются от ядра (которые были использованы в этом эксперименте), часто являются более реактивными. Френкель-Пинтер сказал:
«Это удивило нас, что эта химия одобрила соединение β-амина, обнаруженное в белках, хотя химические принципы могли заставить нас поверить, что небелковая связь будет предпочтительнее. Предпочтение белкоподобной связи перед небелковой составляло примерно семь к одному ».
Еще одним сюрпризом стало то, что биологические аминокислоты побеждают небиологические с точки зрения реактивности. Последние кислоты, которых сегодня нет в белках, потенциально могут химически реагировать так же хорошо (или лучше, чем) биологические. Более того, команда ожидала, что включение этих кислот даст биологическим побег за их деньги и может даже привести к
Тем не менее, реакции привели в основном к образованию пептидов (два или более аминокислотных строительных блоков, связанных вместе), которые были ближе к сегодняшним фактическим белкам. В частности, исследователи полагали, что небиологические аминокислоты превзойдут биологическую аминокислоту, известную как лизин, и что лизин не сможет надежно образовывать цепи.
В обоих случаях они были не правы и вместо этого обнаружили, что лизин преимущественно уходит в цепи таким образом, что он похож на то, что происходит с белками сегодня. Исходя из этого, команда выдвинула гипотезу, что сборные аминокислотные цепи, которые полезны в живых системах, эволюционировали до того, как жизнь нашла способ производить белки.
Тот факт, что их эксперимент показал, что биологические аминокислоты предпочтительнее небиологических, может также дать новое понимание того, почему только 20 аминокислот пошли на формирование жизни. Ученые считают, что во время Хадейского Эона на Земле присутствовало более 500 природных кислот. Как объясняет Лорен Уильямс, профессор биохимии в Технологии Джорджии
«Наша идея состоит в том, что жизнь началась с множества строительных блоков, которые были там, и выбрали их подмножество, но мы не знаем, сколько было выбрано на основе чистой химии или сколько биологических процессов произвело отбор. Глядя на это исследование, кажется, что современная биология может отражать эти ранние пребиотические химические реакции больше, чем мы думали ».
«На пребиотической Земле было бы гораздо больше аминокислот. Есть ли что-то особенное в этих 20 аминокислотах, или они просто замерзли в момент эволюции? » Короче говоря, эксперимент предполагает, что виды аминокислот, используемые в белках, с большей вероятностью связаны друг с другом, потому что они реагируют вместе более эффективно и имеют мало неэффективных побочных реакций.
Короче говоря, эксперимент предполагает, что виды аминокислот, используемые в белках, с большей вероятностью связаны друг с другом, потому что они реагируют вместе более эффективно и имеют мало неэффективных побочных реакций. Это также придает дополнительную достоверность теории о том, что большинство биологических полимеров образуются во влажном и сухом циклах, что является тем, что исследователи CCT имеют
Эта теория, которая гласит, что первые белки были обнаружены в залитых дождем грязных квартирах или на запеченных солнцем скалах на берегу озера, противоречит более общепринятому повествованию о том, что строительные блоки жизни основаны на редких и катастрофических событиях, а также на множестве ингредиентов в чтобы появиться. Показав, что это может быть гораздо более простой процесс, это исследование может приблизить нас на один шаг к раскрытию этой извечной тайны.
Это также может иметь значение в поисках жизни за пределами Земли. Если строительные блоки жизни естественным образом реагируют и притягиваются друг к другу, то это, вероятно, увеличивает вероятность того, что подобные химические реакции имели место в других местах Вселенной!
