24.03.2015

Цианосульфидный протометаболизм — верный путь к земной жизни

Миру РНК предшествовало время предбиологического синтеза, когда рождались так или иначе необходимые для репликации молекулы — нуклеотиды, белки, липиды. Прежде химики рассматривали процессы их синтеза по отдельности. Теперь в лаборатории Джона Сазерленда найден путь, который приводит к синтезу сразу большого набора биологических молекул. Нет нужды гадать, что было раньше, РНК или белки, — вероятно, они синтезировались одновременно в едином каскаде химических реакций; в начале его появляется цианистый водород и сероводород с металлическими катализаторами. Эту сеть реакций авторы назвали цианосульфидным протометаболизмом. С выходом в свет нового исследования можно говорить о поворотной точке в науке о происхождении жизни.

Джон Сазерленд (John Sutherland) с командой из Лаборатории молекулярной биологии Исследовательского совета по медицине при Кембриджском университете (Великобритания) продолжили свое захватывающее исследование первых этапов зарождения жизни — появления на нашей планете биологических молекул. Около пяти лет назад они описали простой путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов, тех самых, которые никак не удавалось получить из простых веществ. Для этого требовалось подогревать азотистые основания (цианамид) вместе с сахаром (гликольальдегидом) и цианоацетиленом в присутствии фосфорной кислоты и под ультрафиолетовым облучением. В результате чудесным, хотя и вполне понятным для химиков образом получаются пиримидиновые рибонуклеотиды — цитидин и уридин. И при этом с высоким конечным выходом продукта, в практически очищенном от примесей виде, так как другие побочные продукты реакций неустойчивы к ультрафиолетовому облучению (на рис. 2a эта часть добиологической химии показана синими стрелками).

Все, кто занимается и интересуется ранней эволюцией жизни, пришли в восторг. Среди эмоциональных одобрений звучали вполне здравые вопросы: откуда бы взяться на ранней Земле гликольальдегиду в большом количестве? — все же это не совсем простое вещество. За три года команде Сазерленда этот вопрос удалось решить (D. Ritson & J. D. Sutherland, 2012. Prebiotic synthesis of simple sugars by photoredox systems chemistry) — и опять же изящно и доступно. Химики синтезировали гликольальдегид и глицеральдегид из цианистого водорода; реакция идет на свету в присутствии сероводорода и двухвалентной меди. Но какова же была радость ученых, когда они обнаружили в качестве побочных (!) продуктов реакций этого синтеза α-аминонитрил — предшественник аминокислот глицина, серина, аланина и треонина (D. Ritson & J. D. Sutherland, 2013. Synthesis of Aldehydic Ribonucleotide and Amino Acid Precursors by Photoredox Chemistry). На рис. 2a этот путь показан зелеными стрелками.

Конечно, останавливаться было нельзя: ясно, что обнаруженная сеть реакций — это золотая жила добиологического синтеза. И та же окрыленная команда стала подробнее изучать продукты реакций в смеси цианистого водорода, сероводорода, фосфатов и различных двухвалентных металлов.

Перво-наперво решено было подробнее рассмотреть трансформации глицеральдегида в фосфатном буфере — должен был теоретически получиться более стабильный трехуглеродный изомер. Действительно, его и нашли: глицеральдегид постепенно, но с хорошим выходом продукта (59%) преобразовывался в дигидроксиацетон. А тот, в свою очередь, в присутствии сероводорода на свету расщепляется на ацетон и глицерол. Получив эти вещества, химики почуяли победу — до синтеза липидов осталось совсем чуть-чуть. И вот если полученную смесь подогреть (а мы помним, что процесс идет в фосфатном буфере) с катализатором (цинком), то в колбе окажется глицерол-1-фосфат и глицерол-2-фосфат — предшественники липидов. Выход этих продуктов оказался впечатляющим: в сумме 71%. А если еще чередовать освещение и темноту, то происходят друг за другом (в качестве приятной добавки) реакции превращения ацетона в аминокислоты — валин и лейцин.

Затем выяснилось, что из цианистого водорода и ацетилена в присутствии различных соединений меди и сероводорода могут быть также синтезированы аминокислоты аргинин, пролин, аспарагин, аспартат, глутамин и глутамат. И, между прочим, необходимым продуктом превращения цианистого водорода в аминокислоты в присутствии двухвалентной меди является цианоацетилен, тот самый, который оказался востребованным для синтеза пиримидинов.

Вот это настоящий первичный бульон, или, если угодно, гипотетическая теплая лужа! Джон Сазерленд с коллегами теперь представляют себе этот древнейший жизнеродный водоем гораздо яснее, чем кто бы то ни было. Эта теплая лужа стала обрастать реалистичными химическими подробностями. Химики поместили ее во времена катархея, когда наша планета испытывала на своей шкуре все тяжести поздней метеоритной бомбардировки. Вот как это могло происходить.

При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита — железо-никелевого фосфида — при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она — теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция — всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.

Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов. Ученые предложили взаимосвязанную сеть реакций, и уж если старт дан, то на выходе получится весь набор. И нет нужды гадать, что было раньше — аминокислоты и белки или сахара с рибонуклеотидами. Всё было сразу. Теплая лужа — это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом: добро пожаловать, жизнь!

Химикам еще предстоит серьезная работа, чтобы развязать все узлы этой химической сети, но главное — что пропасти между простыми органическими молекулами и молекулами жизни больше нет. Теперь есть мостик, который химики назвали цианосульфидным протометаболизмом. Вероятно, этот термин очень скоро станет модным, востребованным и очень осмысленным.

Подготовлено по материалам: Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy & John D. Sutherland. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism // Nature Chemistry. Published online 16 March 2015. DOI: 10.1038/NCHEM.2202.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru