РНК была, вероятно, первой информационной молекулой. Теперь химики из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене продемонстрировали, что чередования влажных и сухих условий могло быть достаточно для запуска пребиотического синтеза нуклеозидов РНК, присутствующих во всех областях жизни.
"И Земля была безвидна и пуста" - до возникновения жизни. Между тем, мы знаем гораздо больше о ранней Земле, но как могли химические структуры, из которых состоят основные субъединицы сегодняшних наследственных молекул - РНК и ДНК - образоваться из более простых исходных материалов около 4 миллиардов лет назад? При каких условиях эти строительные блоки могли затем быть связаны в длинные цепочки, способные не только кодировать информацию, но и распространять ее путем самовоспроизведения? Было предложено множество возможных сценариев фазы химической эволюции, предшествовавшей появлению первых биологических клеток. Теперь исследователи во главе с химиком LMU профессором Томасом Кареллом расширили эти модели, продемонстрировав вероятный путь пребиотического синтеза «нуклеозидов», составляющих информационные компоненты РНК.
В частности, Карелл и его коллеги показали, что нуклеозиды могут образовываться в непрерывном процессе, подвергая простые химические вещества воздействию флуктуирующих физических условий, которые преобладали в геотермально активных областях, характеризующихся вулканической активностью на ранней Земле. Они начинаются со смеси муравьиной кислоты, уксусной кислоты, нитрита натрия и нескольких азотсодержащих соединений, все из которых, как было показано ранее, образуются из еще более простых предшественников в пребиотических условиях. Реакционная смесь также содержала никель и железо, которые в больших количествах содержатся в земной коре. Движущей силой химических реакций являются колебания температуры и рН, а также влажные/сухие циклы, такие как те, которые происходят вблизи периодически активных горячих источников или в сильно сезонном климате с чередующимися периодами осадков и испарения.
Ядром процесса является серия реакций, в результате которых образуются соединения, называемые формамидопиримидинами, которые, в свою очередь, могут быть преобразованы в канонические пурины (аденозин и гуанозин), присутствующие в РНК. В статье, опубликованной в прошлом году, Карелл и его команда впервые описали этот путь FaPy как возможный химический сценарий пребиотического синтеза нуклеозидов. «На этот раз мы не только начали с более простых соединений-предшественников, но и выбрали условия, которые, как ожидается, будут преобладать в вероятных геологических условиях, таких как гидротермальные источники на суше», - объясняет Сидни Беккер, аспирант группы Карелла и первый автор. исследования. Статья опубликована в одном из ведущих онлайн-журналов с открытым доступом, Nature Communications.
Примечательно, что в новых экспериментах были синтезированы не только канонические пуриновые нуклеозиды, обнаруженные в РНК, но и целый ряд близкородственных молекул. Еще более поразительно, что все наблюдаемые модификации, как известно, происходят в РНК во всех трех сферах жизни - эукариотах (животных и растениях), бактериях и археях - и, следовательно, являются важными компонентами функциональных генетических систем. Следовательно, они, скорее всего, уже присутствовали у последнего общего предка всех форм жизни. Это, в свою очередь, доказывает, говорит Беккер, что эти соединения должны были быть доступны на ранней Земле, когда началась биологическая эволюция. Действительно, авторы нового исследования предполагают, что неканонические нуклеозиды могли сыграть решающую роль в фазе химической эволюции, предшествовавшей возникновению «мира РНК» (термин относится к гипотетическому периоду, в течение которого молекулы РНК считается, что они служили химическими катализаторами в дополнение к хранению генетической информации в первичных клетках). В этом свете модификации РНК, обнаруженные в современных организмах, представляют собой молекулярные окаменелости, которые продолжали участвовать в жизненно важных биологических функциях на протяжении миллиардов лет.