РНК была, вероятно, первой информационной молекулой. Химики из Мюнхенского Университета продемонстрировали, что чередование влажных и сухих условий могло быть достаточным для стимулирования пребиотического синтеза нуклеотидов РНК, обнаруженных во всех элементах жизни.
Ученые до сих пор не знают, как именно химические структуры, которые обеспечивают основные субъединицы современных наследственных молекул – РНК и ДНК, сформировались из более простых исходных материалов. Это произошло около 4 миллиардов лет назад. В каких условиях эти строительные блоки связались в длинные цепи? Которые сумели не только кодировать информацию, но и распространять ее путем самовоспроизведения? Предлагалось много возможных сценариев для этой фазы химической эволюции. Ведь именно она предшествовала появлению первых биологических клеток. Исследователи, возглавляемые профессором Мюнхенского Университета профессором Томасом Кареллом, в своей работе продемонстрировали один вероятных путей пребиотического синтеза нуклеотидов.
Исследование синтеза РНК
Карелл и его коллеги показали, что нуклеотиды могут формироваться в результате непрерывного процесса. В ходе него простые химические вещества подвергаются воздействию колебаний физических условий. Которые, как считается, преобладали в геотермально активных областях, характерных для вулканически активной ранней Земли. Эти вещества образовывались из смеси муравьиной и уксусной кислоты, нитрита натрия и нескольких азотсодержащих соединений. Все они, как было показано ранее, образуются из еще более простых предшественников в пребиотических условиях. Реакционная смесь также содержит никель и железо. Эти элементы в больших количествах содержатся в земной коре. Движущей силой для химических реакций являются колебания температуры и рН. А также мокрые и сухие циклы.
Ядро процесса представляет собой ряд реакций, приводящих к образованию соединений, называемых формамидопиримидинами. Которые, в свою очередь, могут превратится в канонические пурины (аденозин и гуанозин), обнаруженные в РНК. В статье, опубликованной в прошлом году, Карелл и его команда впервые описали этот путь как возможный химический сценарий для пребиотического синтеза нуклеотидов. «На этот раз мы не только начали с более простых соединений-предшественников. Но и выбрали условия, которые, вероятно, преобладали в древних геологических локациях. Таких, как гидротермальные источники на суше», – объясняет Сидни Беккер, аспирантка из группы Карелла. Документ появился в одном из ведущих онлайн-журналов с открытым доступом – Nature Communications.
Нуклеотиды
Примечательно, что в новых экспериментах были синтезированы не только канонические пуриновые нуклеотиды, обнаруженные в РНК. Но и целый ряд тесно связанных с ними молекул. Известно, что все обнаруженные модификации встречаются в РНК во всех трех видах жизни. Это эукариоты (животные и растения), бактерии и археи. И поэтому являются важными компонентами функционально-генетических систем. Следовательно они, скорее всего, уже присутствовали в последнем общем предке всех форм жизни. Это, в свою очередь, говорит о том, что эти соединения должны были быть доступны на ранней Земле. В те времена, когда началась биологическая эволюция.
Действительно, авторы нового исследования предполагают, что неканонические нуклеотиды могли сыграть решающую роль в фазе химической эволюции, предшествовавшей появлению «мира РНК», (термин относится к гипотетическому периоду, в течение которого молекулы РНК, как полагают, служили химическими катализаторами, в дополнение к функции хранению генетической информации в изначальных клетках). В этом свете модификации РНК, обнаруженные в современных организмах, представляют собой молекулярные окаменелости. Которые продолжали участвовать в жизненно важных биологических функциях в течение миллиардов лет.