Первичный бульон, выплеснувшийся миллиарды лет назад и в конечном итоге приведший к возникновению первой жизни на нашей планете, возможно, изобиловал первичными предшественниками белков.
Предки первых белковых молекул, которые являются ключевыми компонентами всех клеток, могли быть в изобилии на Земле до возникновения жизни, согласно новому исследованию, проведенному учеными из Технологического института Джорджии, которые сформировали сотни возможных молекулы-предшественники в лаборатории. Затем они тщательно проанализировали молекулы с помощью новейших технологий и новых алгоритмов.
Они обнаружили, что молекулы, называемые депсипептидами, образовывались быстро и в изобилии в условиях, которые были бы обычными на добиотической Земле, и с ингредиентами, которых, вероятно, было бы много.
И некоторые из депсипептидов превратились в новые разновидности всего за несколько дней, способность, которая много тысячелетий назад могла ускорить рождение длинных молекул, называемых пептидами, из которых состоят белки.
Без катаклизма, пожалуйста
Новое исследование, связанное с НАСА, дополняет растущее количество доказательств того, что первые полимеры жизни могли возникнуть в результате вариаций повседневных процессов, которые все еще наблюдаются на Земле сегодня, таких как многократное высыхание и повторное наполнение прудовой воды. Возможно, не все они возникли в результате пылающих катаклизмов, что часто ассоциируется с созданием первых химических веществ жизни.
«Мы хотим держаться подальше от сценариев, которые не всегда возможны», - сказал Факундо Фернандес, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии и один из главных исследователей исследования. «Не отклоняйтесь от условий, которые были бы реалистичными и достаточно распространенными на добиотической Земле. Не прибегайте к какой-либо неразумной химии».
Ученые долго ломали голову над тем, как образовались самые первые белки. Их длинноцепочечные молекулы, полипептиды, сложно получить в лаборатории в абиотических условиях.
Некоторые исследователи трудились над созданием крошечных цепочек или пептидов, иногда в более экстремальных условиях, которые, вероятно, реже случались на ранней Земле. Выходы были скромными, а полученные пептиды состояли всего из нескольких компонентов, в то время как в природных белках их великое множество.
Пошаговая эволюция
Но сложные молекулы жизни, скорее всего, не возникли в результате одного драматического шага, который произвел конечные продукты. Эта гипотеза лежит в основе исследований Фернандеса и его коллег из Центра химической эволюции NSF/NASA со штаб-квартирой в Технологическом институте Джорджии, основанного на тесном сотрудничестве с Исследовательским институтом Скриппса.
Вместо этого несколько более простых химических стадий, вероятно, произвели множество промежуточных продуктов, которые были полезны в последующих реакциях, которые в конечном итоге привели к первым биополимерам. Депсипептиды, полученные в этом последнем исследовании, могли бы послужить такой химической ступенькой.
Они очень похожи на обычные пептиды, и сегодня их можно найти в биологических системах. «Например, многие антибиотики представляют собой депсипептиды», - сказал Фернандес.
Фернандес, его коллеги из Технологического института Джорджии Марта Гровер и Николас Хад, а также Рам Кришнамурти из Скриппса опубликовали свое исследование 28 августа 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Первый автор Джей Форсайт, ранее работавший научным сотрудником в Технологическом институте Джорджии, теперь является доцентом Чарльстонского колледжа. Исследования финансировались Национальным научным фондом и Программой астробиологии НАСА.
Новое исследование объединяет аналогичную работу о формировании предшественников РНК на добиотической Земле и о возможных сценариях образования первых генов. Коллективные идеи могут когда-нибудь помочь объяснить, как возникла первая жизнь на Земле, а также помочь астробиологам в определении вероятности существования жизни на других планетах.
Понимание депсипептида Lego
Чтобы понять депсипептиды и значение результатов исследователей, полезно начать с рассмотрения пептидов, которые представляют собой цепочки аминокислот. Когда цепи становятся очень длинными, их называют полипептидами, а затем белками.
Живые клетки имеют механизм, который считывает инструкции в ДНК о том, как соединить аминокислоты в определенном порядке для создания очень специфических пептидов и белков, которые выполняют функции в живой клетке. Чтобы белок функционировал в клетке, его полипептидные цепи должны собираться в комки, как липкая пряжа, чтобы формировать нужные формы.
До появления клеток и ДНК на Земле, лишенной жизни, для образования полипептидов аминокислоты должны были каким-то образом толкаться вместе в лужах или на берегах рек или озер, образуя цепочки. Но пептидные связи сложно сформировать, особенно их длинные цепочки.
Амино дублер
Другие связи, называемые сложноэфирными, образуются легче, и они могут связывать аминокислоты с очень похожими молекулами, называемыми гидроксикислотами. Гидроксикислоты настолько похожи на аминокислоты, что в некоторых случаях могут функционировать как их дублеры.
Исследователи смешали три аминокислоты с тремя гидроксикислотами в водном растворе, и они образовали депсипептиды, цепочки аминокислот и гидроксикислот, удерживаемые вместе прерывистыми сложноэфирными и пептидными связями. Гидроксикислоты действовали как средство соединения цепей, которые в противном случае было бы трудно сформировать.
Первичный бульон, возможно, вылил свои депсипептиды на камни, где они высыхали на солнце, а затем дождь или роса растворяли их обратно в бульоне, и это происходило снова и снова. Исследователи воспроизвели этот цикл в лаборатории и наблюдали за дальнейшим развитием депсипептидных цепей.
Жара Долины Смерти
«Мы называем это циклическим подходом к созданию этих первых пептидов», - сказал Фернандес, председатель Фонда Вассера Вулли по биоаналитической химии. Как природа: сварить суп, высушить, повторить.
В лаборатории температура сушки составляла 85 градусов по Цельсию (185 градусов по Фаренгейту), хотя было показано, что реакция работает при температурах от 55 до 65 градусов по Цельсию (от 131 до 149 градусов по Фаренгейту). «Если вы думаете о том, что на ранней Земле была активная вулканическая активность и атмосферная смесь, которая способствовала потеплению, эти температуры являются реальными во многих частях ранней Земли», - сказал Фернандес.
Ранней Земле потребовались сотни миллионов лет, чтобы остыть, и предполагается, что температуры в сотни градусов были обычным явлением в течение долгого времени. Даже сегодня температура в самых жарких пустынях может превышать 55 градусов по Цельсию.
Эстер до-си-до
Поскольку сложноэфирные связи рвутся легче, в эксперименте цепи, как правило, больше распадались на гидроксикислоты и удерживались вместе между аминокислотами, которые были связаны более сильными пептидными связями. В результате цепи могут перестраиваться и связывать все больше и больше аминокислот друг с другом в более прочные пептиды.
В своеобразном кадрильном танце замещающие гидроксикислоты часто оставляли своих партнеров-аминокислот в цепи, а новые аминокислоты закреплялись в цепи на их месте, где они крепко держались. На самом деле, некоторые депсипептиды почти полностью состоят из аминокислот и содержат только остатки гидроксикислот.
«Теперь мы знаем, как легко могут образовываться пептиды», - сказал Фернандес. «Далее мы хотим выяснить, что необходимо для достижения уровня функционального белка».
Десять триллионов депсипептидов
Чтобы идентифицировать более 650 образовавшихся депсипептидов, исследователи использовали масс-спектрометрию в сочетании с ионной подвижностью, которую можно описать как аэродинамическую трубу для молекул. Наряду с массой дополнительное измерение подвижности дало исследователям данные о форме депсипептидов.
Алгоритмы, созданные исследователем Технологического института Джорджии Антоном Петровым, обработали данные, чтобы окончательно идентифицировать молекулы.
Чтобы проиллюстрировать потенциальное изобилие депсипептидов на пребиотической Земле: исследователям пришлось ограничить количество аминокислот и оксикислот до трех. Если бы вместо этого они принимали по 10, то теоретическое количество депсипептидов могло бы превысить 10 000 000 000 000.
"Легкость и щедрость являются ключевыми", сказал Фернандес. «Химическая эволюция, скорее всего, пойдет вперед, когда необходимые ей компоненты будут в изобилии и могут соединяться вместе в более обычных условиях».
Кэлвин Миллар из Технологического института Джорджии и Шэн-Шенг Ю также были соавторами этого исследования. Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Программой астробиологии НАСА в рамках Центра химической эволюции NSF/НАСА (CHE-1504217). Любые мнения, выводы и выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения спонсирующих агентств.