Химики из Научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) обнаружили соединение, которое, возможно, сыграло решающую роль в возникновении жизни на Земле.
Исследователи Origins-of-life выдвинули гипотезу, что химическая реакция, называемая фосфорилированием, могла иметь решающее значение для сборки трех ключевых ингредиентов в ранних формах жизни: коротких нитей нуклеотидов для хранения генетической информации, коротких цепочек аминокислот (пептиды) для выполнения основной работы клеток, а липиды для образования инкапсулирующих структур, таких как клеточные стенки. Тем не менее, никто никогда не находил фосфорилирующий агент, который, вероятно, присутствовал на ранней Земле и мог производить эти три класса молекул бок о бок в тех же реальных условиях.
Химики TSRI идентифицировали именно такое соединение: диамидофосфат (DAP).
«Мы предлагаем химию фосфорилирования, которая могла бы привести к возникновению в одном и том же месте олигонуклеотидов, олигопептидов и клеточных структур, которые их заключают», - сказал старший автор исследования Раманарайан Кришнамурти, доцент кафедры химии. в ЦРИ. «Это, в свою очередь, позволило бы использовать другие химические вещества, которые раньше были невозможны, что потенциально привело бы к появлению первых простых клеточных живых существ».
Исследование, опубликованное в журнале Nature Chemistry, является частью постоянных усилий ученых всего мира по поиску правдоподобных путей для эпического путешествия от добиологической химии к клеточной биохимии.
Другие исследователи описали химические реакции, которые могли способствовать фосфорилированию добиологических молекул на ранней Земле. Но в этих сценариях задействованы разные фосфорилирующие агенты для разных типов молекул, а также разные и часто необычные реакционные среды.
«Было трудно представить, как эти очень разные процессы могли объединиться в одном месте и породить первые примитивные формы жизни», - сказал Кришнамурти.
Он и его команда, в том числе соавторы Клементин Гибард, Субхенду Бховмик и Мегха Карки, все постдокторские научные сотрудники в TSRI, сначала показали, что DAP может фосфорилировать каждый из четырех нуклеозидных строительных блоков РНК в воде или пастообразное состояние в широком диапазоне температур и других условий.
С добавлением катализатора имидазола, простого органического соединения, которое, вероятно, само по себе присутствовало на ранней Земле, активность DAP также привела к появлению коротких РНК-подобных цепей этих фосфорилированных строительных блоков.
Более того, DAP с водой и имидазолом эффективно фосфорилировал строительные блоки липидов глицерин и жирные кислоты, что привело к самосборке небольших фосфолипидных капсул, называемых везикулами - примитивными версиями клеток.
DAP в воде комнатной температуры также фосфорилировал аминокислоты глицин, аспарагиновую кислоту и глутаминовую кислоту, а затем помог связать эти молекулы в короткие пептидные цепи (пептиды представляют собой уменьшенные версии белков).
"С помощью DAP и воды, а также в этих мягких условиях, вы можете заставить эти три важных класса предбиологических молекул собраться вместе и трансформироваться, создавая возможность для их взаимодействия", - сказал Кришнамурти.
Кришнамурти и его коллеги ранее показали, что DAP может эффективно фосфорилировать множество простых сахаров и, таким образом, помогать создавать фосфорсодержащие углеводы, которые должны были быть задействованы в ранних формах жизни. Их новая работа предполагает, что DAP мог играть гораздо более важную роль в происхождении жизни.
"Это напоминает мне Фею-крёстную из Золушки, которая взмахивает палочкой и "пуф, пуф, пуф", всё простое превращается во что-то более сложное и интересное", - сказал Кришнамурти.
Важность DAP в зарождении жизни на Земле может быть трудно доказать спустя несколько миллиардов лет после свершившегося факта. Кришнамурти, однако, отметил, что ключевые аспекты химии молекул все еще встречаются в современной биологии.
«DAP фосфорилируется посредством того же разрыва связи фосфор-азот и в тех же условиях, что и протеинкиназы, которые широко распространены в современных формах жизни», - сказал он. «Химия фосфорилирования DAP также очень похожа на реакцию, лежащую в основе метаболического цикла каждой клетки».
Кришнамурти теперь планирует следовать этим наводкам, и он также объединился с геохимиками ранней Земли, чтобы попытаться определить потенциальные источники DAP или фосфорно-азотных соединений аналогичного действия, которые были на планете до возникновения жизни.
«Возможно, на ранней Земле были минералы, которые выделяли такие соединения фосфора и азота при правильных условиях», - сказал он.«Астрономы нашли доказательства существования соединений фосфора и азота в газе и пыли межзвездного пространства, так что вполне вероятно, что такие соединения присутствовали на ранней Земле и сыграли роль в появлении сложных молекул жизни».