Как возникла жизнь на Земле? Исследователи из Рутгерса нашли одно из первых и, возможно, единственных веских доказательств того, что простые белковые катализаторы, необходимые для функционирования клеток, строительных блоков жизни, могли существовать, когда зародилась жизнь..
Их исследование первичного пептида, или короткого белка, опубликовано в Журнале Американского химического общества.
В конце 1980-х и начале 1990-х годов химик Гюнтер Вехтерсхойзер постулировал, что жизнь зародилась на железо- и серосодержащих породах в океане. По словам соавтора исследования Викаса Нанда, адъюнкт-профессора Медицинской школы Роберта Вуда Джонсона при Рутгерсе, Вехтерсхойзер и другие предсказали, что короткие пептиды будут связывать металлы и служить катализаторами жизненной химии.
ДНК человека состоит из генов, кодирующих белки длиной от нескольких сотен до нескольких тысяч аминокислот. Эти сложные белки, необходимые для нормального функционирования всех живых существ, являются результатом миллиардов лет эволюции. Когда зародилась жизнь, белки, вероятно, были намного проще, возможно, всего от 10 до 20 аминокислот. По словам Нанды, с помощью компьютерного моделирования ученые из Рутгерса изучали, как могли выглядеть ранние пептиды, и их возможные химические функции.
Ученые использовали компьютеры для моделирования короткого белка из 12 аминокислот и протестировали его в лаборатории. Этот пептид имеет несколько впечатляющих и важных особенностей. Он содержит только два типа аминокислот (вместо предполагаемых 20 аминокислот, которые синтезируют миллионы различных белков, необходимых для определенных функций организма), он очень короткий и мог возникнуть спонтанно на ранней Земле в правильных условиях. Металлический кластер в ядре этого пептида напоминает по структуре и химическому составу железо-серные минералы, которых было много в океанах ранней Земли. По словам Нанды, штатного преподавателя Центра передовых технологий и медицины, пептид также может многократно заряжать и разряжать электроны, не распадаясь на части.
«Современные белки, называемые ферредоксины, делают это, перемещая электроны по клетке для ускорения метаболизма», - сказал старший автор профессор Пол Г. Фальковски, который возглавляет Лабораторию биофизики окружающей среды и молекулярной экологии Рутгерса. «Первичный пептид, подобный тому, который мы изучали, мог выполнять аналогичную функцию при зарождении жизни».
Фальковски является главным исследователем проекта ENIGMA, финансируемого НАСА, под руководством ученых Рутгерса, целью которого является понять, как белковые катализаторы развивались в начале жизни. Нанда возглавляет одну команду, которая исследует весь потенциал первичного пептида и продолжит разработку других молекул, которые, возможно, сыграли ключевую роль в происхождении жизни.
С помощью компьютеров ученые из Рутгерса разобрали и проанализировали почти 10 000 белков и определили четыре «Лего жизни» - основные химические структуры, которые могут быть сложены для формирования бесчисленных белков внутри всех организмов. Небольшой первичный пептид может быть предшественником более длинного «Лего» жизни, и теперь ученые могут проводить эксперименты, чтобы выяснить, как такие пептиды могли функционировать в химии раннего периода жизни.
Соавторы исследования - Джон Донгун Ким, научный сотрудник с докторской степенью, и аспирант Дуглас Х. Пайк. Другие авторы включают Алексея М. Тырышкина и Г. В. Т. Свапна, штатные ученые; Хагай Раанан, научный сотрудник; и Гаэтано Т. Монтелионе, председатель Джерома и Лоррейн Арести и выдающийся профессор кафедры молекулярной биологии и биохимии. Он также является постоянным преподавателем Центра передовых технологий и медицины.