От бульона к живым существам: шокирующий эксперимент, перевернувший науку

Как возникла жизнь на Земле? Этот вопрос волновал учёных и философов на протяжении веков. Совсем недавно исследователям удалось воссоздать в лаборатории процесс, который, по их мнению, мог произойти около четырёх миллиардов лет назад — спонтанное объединение молекул РНК и аминокислот, положившее начало живым организмам. Результаты этого исследования опубликованы в авторитетном журнале Nature и открывают новую страницу в понимании фундаментальной связи между нуклеиновыми кислотами и белками.

От простого к сложному: как синтезируются белки сегодня

Чтобы понять, почему открытие столь значимо, стоит вспомнить, как устроен синтез белков в современных клетках. Химик Мэтью Паунер из Университетского колледжа Лондона объясняет:

"Сегодня жизнь использует для синтеза белков невероятно сложную молекулярную машину — рибосому. Этой машине требуются химические инструкции, записанные в матричной РНК, которая переносит последовательность гена из ДНК клетки в рибосому. Затем рибосома, подобно заводскому конвейеру, считывает эту РНК и соединяет аминокислоты одну за другой, создавая белок".

Но как этот сложный механизм мог возникнуть на заре жизни, когда ещё не существовало ни рибосом, ни сложных ферментов? Паунер и его коллеги сделали важный шаг, показав, что в воде с нейтральным pH аминокислоты могут спонтанно связываться с РНК с помощью простой химии.

"Эта химия носит спонтанный, избирательный характер и могла возникнуть на ранней Земле", — добавляет он.

Гипотезы происхождения жизни: мир РНК и мир тиоэфиров

Сегодня существует несколько теорий о том, как могла начаться жизнь. Одна из них — гипотеза мира РНК — предполагает, что РНК была первой самовоспроизводящейся молекулой, способной катализировать химические реакции и хранить генетическую информацию. Однако проблема заключалась в том, как аминокислоты, из которых состоят белки, могли связаться с РНК в условиях первичной Земли.

Белки не могут самостоятельно воспроизводиться; их последовательность строго контролируется нуклеиновыми кислотами. Следовательно, для возникновения жизни необходимо было, чтобы эти две молекулы нашли способ взаимодействовать.

Чтобы воспроизвести этот процесс в лаборатории, команда под руководством химика Джоти Сингха из Университетского колледжа Лондона использовала тиоэфиры — соединения, содержащие углерод, кислород, водород и серу. Тиоэфиры считаются одними из ключевых компонентов первичного органического бульона и, вероятно, играли роль высокоэнергетических посредников в ранних биохимических реакциях.

"Наше исследование объединяет две известные теории происхождения жизни — "мир РНК", в которой самореплицирующаяся РНК считается фундаментальной, и "мир тиоэфиров", в котором тиоэфиры рассматриваются как источник энергии для самых ранних форм жизни", — говорит Паунер.

Тиоэфиры — энергетический катализатор ранней жизни

Ранее учёные пытались найти молекулы, способные выступать в роли энергетических посредников, но многие из них быстро разрушались в водной среде, что мешало связыванию аминокислот с РНК. Тиоэфиры оказались более устойчивыми и эффективными.

В лабораторном моделировании органического супа исследователи обнаружили, что тиоэфиры обеспечивают необходимую энергию для связывания аминокислот с РНК. Это позволило им впервые воспроизвести в контролируемых условиях процесс, который мог стать отправной точкой для появления первых пептидов — коротких цепочек аминокислот, жизненно важных для биологических функций.

Что дальше? Поиск генетического кода и создание "Lego" жизни

Несмотря на значительный прогресс, учёные признают, что понимание происхождения жизни всё ещё далёко от завершения. Следующий важный этап — выяснить, будет ли РНК связываться преимущественно с определёнными аминокислотами. Это могло стать основой для формирования генетического кода — системы, которая позволяет хранить и передавать информацию о структуре белков.

"Представьте себе день, когда химики смогут взять простые, небольшие молекулы, состоящие из атомов углерода, азота, водорода, кислорода и серы, и из этих деталей Lego сформировать молекулы, способные к саморепликации. Это станет монументальным шагом на пути к решению вопроса о происхождении жизни", — говорит Джоти Сингх.

Почему это важно

Исследование не только проливает свет на тайны древней Земли, но и расширяет наши горизонты в поисках жизни за пределами нашей планеты. Понимание того, как простейшие молекулы могли объединиться и начать сложные биохимические процессы, поможет лучше оценить условия, при которых жизнь может возникнуть в других уголках Вселенной.