Химики из Scripps Research сделали открытие, подтверждающее удивительный новый взгляд на происхождение жизни на нашей планете.
В исследовании, опубликованном в химическом журнале Angewandte Chemie, они продемонстрировали, что простое соединение, называемое диамидофосфатом (DAP), которое, вероятно, присутствовало на Земле до возникновения жизни, могло химически связать воедино крошечные строительные блоки ДНК, называемые дезоксинуклеозидами, в нитей первичной ДНК.
Это открытие является последним в серии открытий, сделанных за последние несколько лет, и указывает на возможность того, что ДНК и ее близкий химический родственник РНК возникли вместе как продукты сходных химических реакций, и что первые самовоспроизводящиеся молекулы - первые формы жизни на Земле - были смесью этих двух.
Открытие может также привести к новым практическим применениям в химии и биологии, но его главное значение заключается в том, что оно решает извечный вопрос о том, как впервые возникла жизнь на Земле. В частности, это прокладывает путь к более обширным исследованиям того, как самовоспроизводящиеся смеси ДНК и РНК могли развиваться и распространяться на первобытной Земле и, в конечном счете, породить более зрелую биологию современных организмов.
«Это открытие является важным шагом на пути к разработке подробной химической модели того, как первые формы жизни возникли на Земле», - говорит старший автор исследования Раманарайан Кришнамурти, доктор философии, доцент кафедры химии Scripps Research.
Это открытие также отдаляет область химии происхождения жизни от гипотезы, которая доминировала в ней в последние десятилетия: гипотеза «Мира РНК» утверждает, что первые репликаторы были основаны на РНК, и что ДНК возникла только позже как продукт форм жизни РНК.
Является ли РНК слишком липкой?
Кришнамурти и другие сомневаются в гипотезе мира РНК отчасти потому, что молекулы РНК могли быть просто слишком «липкими», чтобы служить первыми саморепликаторами.
Нить РНК может притягивать другие отдельные строительные блоки РНК, которые прилипают к ней, образуя нечто вроде нити зеркального отображения - каждый структурный блок в новой нити связывается с комплементарным ему структурным блоком на исходном, «шаблоне». прядь. Если новая нить может отделиться от нити-шаблона и таким же образом начать формировать другие новые нити, то она достигла подвига самовоспроизведения, лежащего в основе жизни.
Но в то время как нити РНК могут быть хорошими шаблонами для комплементарных цепей, они не так хороши при отделении от этих цепей. Современные организмы производят ферменты, которые могут заставить сдвоенные нити РНК или ДНК идти разными путями, тем самым обеспечивая репликацию, но неясно, как это могло быть сделано в мире, где ферментов еще не существовало.
Химерический обходной путь
Кришнамурти и его коллеги в недавних исследованиях показали, что «химерные» молекулярные нити, состоящие из части ДНК и части РНК, могут решить эту проблему, потому что они могут шаблонировать комплементарные нити менее липким способом, что позволяет их относительно легко отделить.
Химики также показали в широко цитируемых работах за последние несколько лет, что простые рибонуклеозидные и дезоксинуклеозидные строительные блоки РНК и ДНК, соответственно, могли возникнуть в очень похожих химических условиях на ранней Земле.
Более того, в 2017 году они сообщили, что органическое соединение DAP могло сыграть решающую роль в модификации рибонуклеозидов и связывании их вместе в первые цепи РНК. Новое исследование показывает, что DAP в аналогичных условиях мог сделать то же самое с ДНК.
Мы обнаружили, к нашему удивлению, что использование DAP для взаимодействия с дезоксинуклеозидами работает лучше, когда дезоксинуклеозиды не одинаковы, а вместо этого представляют собой смеси разных «букв» ДНК, таких как A и T или G и C., как настоящая ДНК», - говорит первый автор Эдди Хименес, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Кришнамурти.
"Теперь, когда мы лучше понимаем, как первичная химия могла создать первые РНК и ДНК, мы можем начать использовать ее на смесях строительных блоков рибонуклеозидов и дезоксинуклеозидов, чтобы увидеть, какие химерные молекулы образуются - и могут ли они самостоятельно -воспроизводиться и развиваться", - говорит Кришнамурти.
Он отмечает, что работа может иметь и широкое практическое применение. Искусственный синтез ДНК и РНК - например, в методе «ПЦР», который лежит в основе тестов на COVID-19, - представляет собой обширный глобальный бизнес, но зависит от относительно хрупких ферментов и, следовательно, имеет много ограничений. Надежные, не содержащие ферментов химические методы получения ДНК и РНК могут оказаться более привлекательными во многих случаях, говорит Кришнамурти.