Химическая реакция, создавшая блоки жизни на Земле
Как началась жизнь? Как химические реакции на ранней Земле создали сложные самовоспроизводящиеся структуры, которые превратились в живые существа, какими мы их знаем? Согласно одной школе мысли, до нынешней эры жизни, основанной на ДНК, существовала разновидность молекулы, называемой РНК (или рибонуклеиновой кислотой). РНК, которая до сих пор является важнейшим компонентом жизни, может воспроизводить себя и катализировать другие химические реакции. Но сами молекулы РНК состоят из более мелких компонентов, называемых рибонуклеотидами. Как эти строительные блоки могли сформироваться на ранней Земле, а затем объединиться в РНК? Химики вроде меня пытаются воссоздать цепочку реакций, необходимых для образования РНК на заре жизни, но это непростая задача. Мы знаем, что какая бы химическая реакция ни создала рибонуклеотиды, она могла произойти в беспорядочной и сложной среде, существовавшей на нашей планете миллиарды лет назад.
Я изучал, могли ли сыграть роль «автокаталитические» реакции. Это реакции, в результате которых образуются химические вещества, которые способствуют повторению той же реакции, а это означает, что они могут поддерживать себя в самых разных обстоятельствах. В нашей последней работе, опубликованной в журнале Chemical Science, мы с коллегами интегрировали автокатализ в хорошо известный химический путь производства строительных блоков рибонуклеотидов, который вполне мог произойти с простыми молекулами и сложными условиями, обнаруженными на ранней Земле. Автокаталитические реакции играют решающую роль в биологии: от регулирования сердцебиения до формирования узоров на морских ракушках. Фактически, репликация самой жизни, когда одна клетка получает питательные вещества и энергию из окружающей среды для производства двух клеток, является особенно сложным примером автокатализа. Химическая реакция, называемая формозной реакцией, впервые обнаруженная в 1861 году, является одним из лучших примеров автокаталитической реакции, которая могла произойти на ранней Земле.
По сути, формозная реакция начинается с одной молекулы простого соединения под названием гликоляльдегид (состоящего из водорода, углерода и кислорода) и заканчивается двумя. Этот механизм основан на постоянном поступлении другого простого соединения, называемого формальдегидом. Реакция между гликольальдегидом и формальдегидом приводит к образованию более крупной молекулы, отщепляющейся от фрагментов, которые возвращаются в реакцию и поддерживают ее. Однако как только формальдегид заканчивается, реакция прекращается, и продукты начинают разлагаться из сложных молекул сахара в смолу. Формозная реакция имеет некоторые общие ингредиенты с хорошо известным химическим путем образования рибонуклеотидов, известным как путь Паунера-Сазерленда. Однако до сих пор никто не пытался связать эти два явления – и на то были веские причины. Формозная реакция печально известна своей «неселективностью». Это означает, что он производит много бесполезных молекул наряду с нужными вам продуктами.
В нашем исследовании мы попытались добавить к формозной реакции еще одну простую молекулу, называемую цианамидом. Это позволяет «откачивать» некоторые молекулы, образующиеся в ходе реакции, с образованием рибонуклеотидов. В результате реакции все еще не образуется большое количество строительных блоков рибонуклеотидов. Однако те, которые он производит, более стабильны и менее склонны к деградации. Что интересно в нашем исследовании, так это интеграция формозной реакции и производства рибонуклеотидов. Предыдущие исследования изучали каждый из них по отдельности, что отражает то, как химики обычно думают о создании молекул. Вообще говоря, химики склонны избегать сложностей, чтобы максимизировать количество и чистоту продукта. Однако этот редукционистский подход может помешать нам исследовать динамические взаимодействия между различными химическими путями. Эти взаимодействия, которые происходят повсюду в реальном мире за пределами лаборатории, возможно, являются мостом между химией и биологией.
Автокатализ также имеет промышленное применение. Когда вы добавляете цианамид в формозную реакцию, еще одним продуктом является соединение под названием 2-аминооксазол, которое используется в химических исследованиях и производстве многих фармацевтических препаратов. Обычное производство 2-аминооксазола часто использует цианамид и гликольдегид, последний из которых дорог. Если его можно получить с помощью формозной реакции, для запуска реакции потребуется лишь небольшое количество гликоляльдегида, что сократит затраты. Наша лаборатория в настоящее время оптимизирует эту процедуру в надежде, что мы сможем манипулировать автокаталитической реакцией, чтобы сделать обычные химические реакции дешевле и эффективнее, а их фармацевтические продукты - более доступными. Возможно, это не будет таким большим делом, как создание самой жизни, но мы думаем, что оно все же может оказаться стоящим.
