ДНК, наследственный материал, возможно, появился на Земле раньше, чем предполагалось до сих пор. Химики Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене во главе с Оливером Траппом показали, что простой путь реакции мог дать начало субъединицам ДНК на ранней Земле.
Как формировались строительные блоки жизни на ранней Земле? Пока имеются лишь частично удовлетворительные ответы на этот вопрос. Однако ясно одно: процессу биологической эволюции, породившему разнообразие жизни на нашей планете, должна была предшествовать фаза химической эволюции. Во время этой «предбиотической» стадии первые полимерные молекулы, способные хранить информацию и воспроизводить себя, были случайным образом собраны из органических предшественников, которые были доступны на ранней Земле. Наиболее эффективные репликаторы впоследствии эволюционировали в макромолекулярные информационные нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК, ставшие основой всех форм жизни на нашей планете.
В течение миллиардов лет ДНК была основным носителем наследственной информации в биологических организмах. Нити ДНК состоят из четырех типов химических субъединиц, и содержащаяся в них генетическая информация закодирована в линейной последовательности этих «нуклеозидов». Более того, четыре субъединицы составляют две комплементарные пары. Взаимодействия между двумя цепями с комплементарными последовательностями ответственны за формирование знаменитой двойной спирали и играют решающую роль в репликации ДНК. РНК также играет жизненно важную роль в репликации ДНК и в трансляции нуклеотидных последовательностей в белки.
Какой из этих двух типов нуклеиновых кислот появился первым? Единодушным ответом на этот вопрос до сих пор была РНК. Вероятные модели, объясняющие, как молекулы РНК могли быть синтезированы из соединений-предшественников в пребиотических условиях, были впервые предложены десятилетия назад и с тех пор получили существенную экспериментальную поддержку. Более того, ее конформационная универсальность позволяет РНК не только хранить информацию, но и действовать как катализатор. Эти идеи привели к идее «мира РНК», предшествовавшей появлению ДНК, которая теперь хорошо известна среди специалистов. Как же были синтезированы первые субъединицы ДНК? Общепринято мнение, что этот процесс катализировал фермент - сравнительно сложная биомолекула, для возникновения которой потребовались бы миллионы лет эволюции.
Но теперь группа химиков под руководством профессора LMU Оливера Траппа предложила гораздо более прямой механизм синтеза субъединиц ДНК из органических соединений, которые присутствовали бы в добиотической среде.«Путь реакции относительно прост», - говорит Трапп, что предполагает, что он вполне мог быть реализован в пребиотической среде. Например, он не требует изменения параметров реакции, таких как температура. В экспериментах Траппа необходимыми ингредиентами являются вода, слабощелочной pH и температура от 40 до 70°C. В таких условиях достигаются достаточно высокие скорости реакции и выходы продуктов с высокой селективностью и правильной стереохимией.
Каждая из нуклеозидных субъединиц ДНК состоит из азотсодержащего основания и сахара, называемого дезоксирибозой. До сих пор считалось, что дезоксинуклеозиды могут быть синтезированы только в пребиотических условиях путем прямого соединения этих двух предварительно образованных компонентов вместе. Но никакого правдоподобного неферментативного механизма такого шага так и не было предложено. Существенной особенностью нового пути, как объясняет Трапп, является то, что сахар не связывается с основанием за одну стадию. Вместо этого он создается на предварительно сформированной основе с помощью короткой последовательности стадий реакции с участием простых органических молекул, таких как ацетальдегид и глицеральдегид. Кроме того, исследователи LMU идентифицировали второе семейство возможных предшественников ДНК, в которых часть дезоксирибозы заменена другим сахаром.
По мнению авторов исследования, эти результаты свидетельствуют о том, что самые ранние молекулы ДНК могли появиться параллельно с РНК - около 4 миллиардов лет назад. Это означает, что молекулы ДНК появились примерно на 400 миллионов лет раньше, чем считалось ранее.