Недавно открытые химические реакции могут объяснить происхождение жизни

То, как именно неодушевленные молекулы ожили, является одной из самых необъяснимых загадок науки. Теперь ученые исследовательского учреждения Scripps Research открыли новый набор химических реакций, которые могут производить строительные блоки жизни из материалов, которые, как считается, были распространены в первичном бульоне ранней Земли. Считается, что первые формы жизни появились на Земле миллиарды лет назад из богатой питательными веществами смеси, которую часто называют «первичным бульоном». По сути, молекулы в нем начали реагировать друг с другом из-за дополнительной энергии, такой как удары молнии или гидротермальные источники, пока они не образовали основные органические соединения, затем аминокислоты, которые впоследствии смогли объединяться в пептиды и белки и, наконец, в клетки.

Очевидно, это сильное упрощение, и конкретные химические реакции, которые происходили во время процесса, остаются неясными. Ученые провели свое исследование, приготовив свои собственные версии оригинального бульона, подвергая его воздействию различных условий, чтобы увидеть, что происходит и как легко могут образовываться предшественники жизни.

В этом новом исследовании ученые изменили  первоначальный рецепт бульона и обнаружили новый набор химических реакций с использованием относительно простых ингредиентов, которые, вероятно, были распространены на Земле. Только с цианидом, аммиаком, углекислым газом и альфа-кетокислотами команда начала получать аминокислоты.

В работе, опубликованной в Nature Chemistry, ученые утверждают, что до возникновения жизни аминокислоты могли получаться из кетокислот, а не только из альдегидов, как думали раньше. Причем найденный процесс больше других напоминает реакции, идущие в живых клетках.

Мы ожидали, что все это будет весьма сложно понять, а оказалось даже проще, чем мы себе представляли, рассказал Раманарайан Кришнамурти (Ramanarayanan Krishnamurthy), ведущий автор исследования. Если вы просто смешаете кетокислоту, цианид и аммиак, все там и останется. Но как только вы добавляете углекислый газ, даже в следовых количествах, реакция ускоряется.

В основном живые клетки синтезируют аминокислоты двумя путями — либо по реакции трансаминирования кетокислот, в которых аминогруппа аминокислоты переносится на кетокислоту, либо по реакции восстановительного аминирования, в которой аммиак реагирует с кетокислотой в присутствии восстановителя. Оба этих процесса требуют одного и того же исходного вещества — кетокислоты.

При этом до возникновения жизни, как полагают ученые, аминокислоты синтезировались на Земле по-другому — не из кетокислот, а из альдегидов по реакции Штрекера. В ней с альдегидом реагирует аммиак и цианид-анион, в получающееся производное гидролизуется — в результате образуется аминокислота. Но как пребиотический синтез аминокислот постепенно трансформировался в современные биохимические ферментативные процессы ученые до сих пор не знают.

Один из возможных путей пребиотического синтеза аминокислот — реакция Штрекера — Sunil Pulletikurti et al. / Nature Chemistry, 2022

Химики предположили, что до возникновения жизни аминокислоты могли получаться, как и в живых клетках, из кетокислот, а не только из альдегидов.

Чтобы проверить свою гипотезу, они смешали пировиноградную кислоту (кетокислота) с цианидом натрия и диамидофосфатом в качестве источника аммиака. Через несколько часов в реакционной смеси химики обнаружили циклический гидантион, который при нагревании до 80 градусов Цельсия распался с образованием аминокислоты аланина. Последующие тесты показали, что реакция идет с высоким выходом только в присутствии атмосферного углекислого газа.

Оптимизация условий реакции позволила получить аланин с выходом в 80%. А аналогичная реакция с альфа-кетоглутаратом дала глутаминовую кислоту с выходом около 20% процентов. При этом образующиеся аминокислоты, как показали ученые, не мешают реакции, хотя тоже могут реагировать с исходной кетокислотой. Дело в том, что реакция аминокислот с кетокислотами протекает обратимо, а образование гидантиона и его разложение — практически необратимые процессы.

Предложенный механизм образования аминокислоты из кетокислоты — Sunil Pulletikurti et al. / Nature Chemistry, 2022

Далее химики решили выяснить, как в условиях их реакции будет себя вести оксалоацетат. Оказалось, что помимо ожидаемого продукта реакции — аспартата — с выходом в 13% образуется дигидрооротат — предшественник пиримидиновых азотистых оснований, которые составляют основу ДНК и РНК. Этот результат показал, что процесс, открытый исследователями, мог служить не только для пребиотического синтеза аминокислот, но и для синтеза азотистых оснований.

Так химики показали, что в пребиотических условиях из кетокислот действительно могли получаться аминокислоты, и этот процесс мог быть основным предшественником современного биосинтеза аминокислот по реакции трансаминирования. Однако реакция разложения гидантионов — вторая стадия открытого авторами процесса — требовала высокой температуры. И химики считают, что на ранних этапах возникновения жизни она могла протекать каталитически, а катализатор для этой реакции еще предстоит найти.

Мы хотим продолжить исследование, чтобы увидеть, какая химия может появиться из этой смеси, говорит Раманарайан Кришнамурти. Могут ли аминокислоты начать производить небольшие белки? Может ли один из этих белков вернуться и начать действовать как фермент, чтобы производить больше этих аминокислот?

Источник: https://nplus1.ru/

Источник: https://mycrush.live/

Источник: https://www.nature.com/

9.08.2022