На Земле не всегда была жизнь. Но около 4 миллиардов лет назад что-то в окружающей среде изменилось, и начали возникать системы с биологическими свойствами. Многие ученые считают, что за этот сдвиг частично ответственен оживленный танец молекул, называемых аминокислотами: молекулы соединялись, распадались и, в конце концов, соединились, чтобы сформировать жизнь, какой мы ее знаем.
Возможно, мы никогда не узнаем точно, как работал этот процесс, но сегодня химики сделали новые открытия, основанные на многообещающих теориях формирования жизни.
«Как химия привела к возникновению сложной жизни, - это один из самых увлекательных вопросов, над которыми задумывалось человечество», - говорит Люк Леман, доктор философии, доцент кафедры химии Scripps Research. «Существует множество теорий о происхождении белков, но не так много экспериментальных лабораторных подтверждений этих идей».
Леман недавно стал одним из руководителей исследования самого рецепта жизни на ранней Земле; исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences. Он тесно сотрудничал с исследователями Технологического института Джорджии и Центра химической эволюции, которые поддерживаются Национальным научным фондом и НАСА.
«Исследование помогает нам понять, как положительно заряженные пептиды могли образоваться на добиотической Земле», - говорит Моран Френкель-Пинтер, доктор философии, научный сотрудник Технологического института Джорджии и первый автор статьи. Пептиды производятся, когда два или более строительных блока аминокислот соединяются, что приводит к белкам, из которых состоит каждый организм.
Леман, Френкель-Пинтер и многие другие ученые в этой области считают странным, что все живые существа на нашей планете формируют свои белки из одного и того же набора из 20 аминокислот. Почему именно этот набор? Ученые знают, что существует гораздо больше аминокислот. Фактически, на Землю приземлялись метеориты, содержащие до 80 аминокислот.
«На добиотической Земле был бы гораздо больший набор аминокислот», - говорит Леман, который также является научным сотрудником Центра химической эволюции. «Есть ли что-то особенное в этих 20 аминокислотах, или они просто застыли в какой-то момент времени в процессе эволюции?»
Новое исследование предполагает, что зависимость жизни от этих 20 аминокислот не случайна. Исследователи показывают, что типы аминокислот, используемых в белках, с большей вероятностью соединяются друг с другом, потому что они взаимодействуют более эффективно и имеют мало неэффективных побочных реакций.
Это открытие позволяет исследователям заглянуть в прошлое и получить рабочую модель для проверки дальнейших теорий происхождения жизни. Понимание того, как образуются пептиды, также важно для области синтетической химии, где ученые стремятся разработать новые молекулы, которые можно использовать для лекарственной терапии и материаловедения.
«Эта работа - реальный шаг к пониманию того, почему определенные строительные блоки содержатся в белках, необходимых для жизни», - говорит Кэти Коверт, программный директор Центра химических инноваций Национального научного фонда, который является соучредителем Центра. для химической эволюции. «Посредством подобных исследований Центр реализует свою амбициозную миссию - пролить свет на химический состав биополимеров, являющихся основой всех живых существ».
В ходе эксперимента исследователи сравнили «белковые» аминокислоты, которые сегодня используются организмами, с аминокислотами, которых нет в живых существах. Исследователи знали, что испарение воды могло создать условия, необходимые для соединения аминокислот на ранней Земле, поэтому они использовали реакцию сушки - вода испаряется и нагревается - чтобы имитировать естественные условия, при которых аминокислоты образуют пептиды.
«С помощью циклов нагревания и сушки вы можете формировать цепочки аминокислот, которые подобны белковым структурам», - говорит Леман.
Их эксперименты показали, что белковые аминокислоты с большей вероятностью спонтанно соединяются с образованием больших «макромолекул», не требуя каких-либо других ингредиентов, таких как ферменты или активирующие агенты. Эта связь является важным шагом в формировании белка.
Белковые аминокислоты, по-видимому, предпочитали реактивность благодаря части своей структуры, называемой альфа-амином. В основном они образовывали линейные белковоподобные «топологии» остова (геометрические образования). Эта тенденция могла бы дать этим аминокислотам фору в сворачивании и связывании, что в конечном итоге привело к белкам.
Основываясь на химическом анализе, который они наблюдали, у ученых теперь есть возможное объяснение выбора положительно заряженных аминокислот, обнаруженных в современных белках.
«Это чисто химическая движущая сила, которая могла привести к выбору одних аминокислот над другими», - говорит Леман.
Лорен Уильямс, доктор философии, профессор Технологического института Джорджии и соруководитель исследования, говорит, что исследование дает химикам отправную точку для понимания того, как могла зародиться жизнь на ранней Земле, также называемой Землей Гадея. «Мы начинаем понимать, как чисто химические процессы, основанные на тех, что происходят на Земле Гадей, могут производить молекулы, которые имеют удивительное сходство с биологическими полимерами», - говорит Уильямс, который также является членом CCE..
Двигаясь вперед, исследователи хотели бы изучить, как эти аминокислоты взаимодействуют с РНК, ингредиентом, который раньше мог сделать возможным следующий шаг в эволюции.
«Будет интересно узнать, как эти положительно заряженные предки белков взаимодействуют с отрицательно заряженными молекулами, такими как РНК», - говорит Френкель-Пинтер.