Сегодня в живых организмах сложные молекулы, такие как РНК и ДНК, формируются с помощью ферментов. Но как эти молекулы образовались до появления жизни (и ферментов)? Почему одни молекулы стали строительными блоками жизни, а другие — нет? Новое исследование учёных из Scripps Research помогает ответить на эти давние вопросы.
Результаты опубликованы в химическом журнале
Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie. Они показывают, как рибоза могла стать сахаром, выбранным для развития РНК. Статья называется «Selection of Ribofuranose-Isomer Among Pentoses by Phosphorylation with Diamidophosphate».
Учёные обнаружили, что рибоза связывается с фосфатом — ещё одним молекулярным компонентом РНК — быстрее и эффективнее, чем другие молекулы сахара. Эта особенность могла помочь выбрать рибозу для включения в молекулы жизни.
«Это подтверждает идею о том, что подобный пребиотический химический процесс мог произвести строительные блоки РНК, которые затем могли привести к возникновению сущностей, обладающих свойствами жизни», — говорит автор исследования Раманараayanan Кришnamurthy, профессор химии в Scripps Research.
Нуклеотиды — строительные блоки РНК и ДНК
Нуклеотиды, строительные блоки РНК и ДНК, состоят из пятиуглеродной молекулы сахара (рибозы или дезоксирибозы), которая связана с фосфатной группой и азотистым основанием (частью молекулы, которая кодирует информацию, например, A, C, G или U).
Исследование Кришnamurthy направлено на понимание того, как эти сложные молекулы могли возникнуть на примитивной Земле. В частности, это исследование сосредоточено на фосфорилировании — этапе синтеза нуклеотидов, где рибоза соединяется с фосфатной группой.
«Фосфорилирование — это один из основных химических процессов жизни; оно необходимо для структуры, функции и метаболизма», — говорит Кришnamurthy. «Мы хотели знать, может ли фосфорилирование также играть фундаментальную роль в примитивном процессе, который запустил всё это».
Предыдущие исследования показали
Из предыдущих работ команда знала, что рибоза может фосфорилироваться при сочетании с молекулой, отдающей фосфат, называемой диамидофосфатом (DAP). В этом исследовании учёные хотели выяснить, могут ли другие, похожие сахара также подвергаться этой реакции или есть что-то особенное в рибозе.
Для проверки этого исследователи использовали контролируемые химические реакции, чтобы изучить, как быстро и эффективно рибоза фосфорилируется DAP по сравнению с тремя другими молекулами сахара с таким же химическим составом, но другой формой (арабиноза, ликсоза и ксилоза). Затем они использовали аналитический метод, называемый спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чтобы охарактеризовать молекулы, полученные в результате каждой реакции.
Они показали, что хотя DAP способен фосфорилировать все четыре сахара, он фосфорилирует рибозу гораздо быстрее. Кроме того, реакция с рибозой приводила исключительно к кольцеобразным структурам с пятью углами (например, пятичленные кольца), тогда как другие сахара образовывали комбинацию пяти- и шестичленных колец.
«Это действительно показало нам, что есть разница между рибозой и тремя другими сахарами», — говорит Кришnamurthy. «Рибоза не только реагирует быстрее, чем другие сахара, она также более селективна в отношении пятичленной кольцевой формы, которая встречается в РНК и ДНК сегодня».
Когда они добавили DAP в раствор, содержащий равное количество четырёх разных сахаров, он преимущественно фосфорилировал рибозу. И хотя другие три сахара «застряли» на промежуточном этапе реакции, большая часть молекул рибозы была преобразована в форму, которая могла реагировать с ядерным основанием и образовывать нуклеотид.
«Мы получили 2 в 1: мы показали, что рибоза избирательно фосфорилируется из смеси сахаров, и мы также показали, что этот избирательный процесс производит молекулу с формой, способствующей образованию РНК», — говорит Кришnamurthy. «Это был бонус. Мы не ожидали, что реакция остановится на стадии, благоприятной для производства нуклеотидов».
Исследователи предупреждают, что даже если все эти реакции могут происходить абиотически, это не значит, что именно они привели к возникновению жизни. «Изучение подобных химических процессов помогает нам понять, какие процессы могли привести к молекулам, составляющим жизнь сегодня, но мы не утверждаем, что этот отбор привёл к РНК и ДНК, потому что это большой скачок», — говорит Кришnamurthy. «Есть много других вещей, которые должны произойти, прежде чем вы получите РНК, но это хорошее начало».
В будущих исследованиях команда планирует проверить, может ли эта химическая реакция происходить внутри примитивных клеточных структур, называемых «протоклетками». «Следующий вопрос: может ли рибоза избирательно обогащаться внутри протоклетки и может ли она далее реагировать для образования нуклеотидов внутри протоклетки?» — говорит Кришnamurthy. «Если мы сможем это сделать, это может создать достаточное напряжение, чтобы заставить протоклетку расти и делиться — а это именно то, что лежит в основе нашего роста».
Предоставлено Институтом Скриппса.