Як зародилося життя? Як хімічні реакції на ранній Землі створили складні самовідтворювані структури, що розвинулися в живі організми, якими ми їх знаємо?
Згідно з однією з наукових шкіл, до нинішньої ери життя на основі ДНК існувала молекула під назвою РНК (або рибонуклеїнова кислота). РНК, яка і сьогодні є найважливішим компонентом життя, здатна самовідтворюватися і каталізувати інші хімічні реакції.
Але самі молекули РНК складаються з менших компонентів, які називаються рибонуклеотидами. Як ці будівельні блоки могли сформуватися на ранній Землі, а потім об’єднатися в РНК?
Такі хіміки, як я, намагаються відтворити ланцюжок реакцій, необхідних для утворення РНК на зорі життя, але це складне завдання. Ми знаємо, що будь-яка хімічна реакція, яка створила рибонуклеотиди, повинна була відбуватися в брудному, складному середовищі, яке існувало на нашій планеті мільярди років тому.
Я вивчаю, чи могли відіграти в цьому роль “автокаталітичні” реакції. Це реакції, в результаті яких утворюються хімічні речовини, що сприяють повторенню тієї ж реакції, а це означає, що вони можуть підтримувати себе в широкому діапазоні обставин.
У нашій останній роботі ми з колегами інтегрували автокаталіз у відомий хімічний шлях утворення будівельних блоків рибонуклеотидів, що цілком ймовірно могло відбуватися з простими молекулами та складними умовами, які існували на ранній Землі.
Формозна реакція
Автокаталітичні реакції відіграють вирішальну роль у біології – від регуляції нашого серцебиття до формування візерунків на морських мушлях. Насправді, реплікація самого життя, коли одна клітина отримує поживні речовини та енергію з навколишнього середовища, щоб створити дві клітини, є особливо складним прикладом автокаталізу.
Хімічна реакція під назвою формозна реакція, вперше відкрита в 1861 році, є одним з найкращих прикладів автокаталітичної реакції, яка могла відбуватися на ранній Землі.
По суті, формозна реакція починається з однієї молекули простої сполуки, яка називається гліколяльдегід (складається з водню, вуглецю і кисню), а закінчується двома. Механізм залежить від постійного надходження іншої простої сполуки – формальдегіду.
Реакція між гліколяльдегідом і формальдегідом призводить до утворення більшої молекули, яка розщеплюється на фрагменти, що повертаються в реакцію і продовжують її перебіг. Однак, як тільки формальдегід закінчується, реакція зупиняється, і продукти починають розкладатися зі складних молекул цукру на гудрони.
Реакція формози має деякі спільні інгредієнти з відомим хімічним шляхом утворення рибонуклеотидів, відомим як шлях Паунера-Сазерленда. Однак досі ніхто не намагався поєднати ці два процеси – і на те є вагомі причини.
Реакція з формозою відома своєю “неселективністю”. Це означає, що вона виробляє багато непотрібних молекул поряд з потрібними вам продуктами.
Автокаталітичний поворот на шляху до рибонуклеотидів
У нашому дослідженні ми спробували додати до реакції з формозою ще одну просту молекулу під назвою ціанамід. Це дозволило “відкачати” частину молекул, що утворилися під час реакції, для виробництва рибонуклеотидів.
Реакція все ще не призводить до утворення великої кількості рибонуклеотидних будівельних блоків. Однак ті, що утворюються, є більш стабільними і менш схильними до деградації.
Цікавим у нашому дослідженні є поєднання реакції утворення формози та виробництва рибонуклеотидів. Попередні дослідження вивчали кожен з них окремо, що відображає те, як хіміки зазвичай думають про створення молекул.
Загалом, хіміки намагаються уникати складності, щоб максимізувати кількість і чистоту продукту. Однак такий редукціоністський підхід може завадити нам дослідити динамічні взаємодії між різними хімічними шляхами.
Ці взаємодії, які відбуваються всюди в реальному світі поза лабораторією, можливо, є мостом між хімією та біологією.
Промислове застосування
Автокаталіз також має промислове застосування. Коли ви додаєте ціанамід до реакції формози, ще одним продуктом є сполука 2-амінооксазол, яка використовується в хімічних дослідженнях і виробництві багатьох фармацевтичних препаратів.
У традиційному виробництві 2-амінооксазолу часто використовують ціанамід і гліколяльдегід, останній з яких є дорогим. Якщо його можна отримати за допомогою формозної реакції, то для запуску реакції знадобиться лише невелика кількість гліколяльдегіду, що знизить витрати.
Наша лабораторія наразі оптимізує цю процедуру в надії, що ми зможемо маніпулювати автокаталітичною реакцією, щоб зробити звичайні хімічні реакції дешевшими та ефективнішими, а їхні фармацевтичні продукти – доступнішими. Можливо, це не буде такою великою справою, як створення самого життя, але ми вважаємо, що це все одно може бути корисним.
