В поисках химии жизни

В поисках химического происхождения жизни исследователи нашли возможный альтернативный путь возникновения характерного рисунка ДНК: согласно экспериментам, характерные пары оснований ДНК могут образовываться при сухом нагревании без воды или других растворителей. Команда, возглавляемая Иваном Халашем из Института Руджера Босковича и Эрнестом Мештровичем из фармацевтической компании Xellia, представляет свои наблюдения, полученные от источника рентгеновского излучения DESY PETRA III в журнале Chemical Communications, сообщает портал mzhost.ru.

«Один из самых интригующих вопросов в поисках происхождения жизни - это то, как произошел химический отбор и как образовались первые биомолекулы», - говорит Томислав Столар из Института Руджера Босковича в Загребе, первый автор статьи. В то время как живые клетки контролируют производство биомолекул с помощью своего сложного механизма, первые молекулярные и супрамолекулярные строительные блоки жизни, вероятно, были созданы чистой химией и без ферментного катализа. Для своего исследования ученые исследовали образование пар азотистых оснований, которые действуют как единицы молекулярного распознавания в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

Наш генетический код хранится в ДНК в виде определенной последовательности, состоящей из азотистых оснований аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и тимина (T). Код состоит из двух длинных дополняющих друг друга нитей, намотанных в виде двойной спирали. В цепях каждое азотистое основание соединяется с комплементарным партнером в другой цепи: аденином с тимином и цитозином с гуанином.

«В ДНК встречаются только определенные сочетания пар оснований, но когда азотистые основания изолированы, они вообще не хотят связываться друг с другом. Так почему же природа выбрала эти пары оснований?» - говорит Столар. Исследования спаривания азотистых оснований резко активизировались после открытия структуры двойной спирали ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году. Однако было весьма удивительно, что достижение специфического спаривания азотистых оснований в условиях, которые можно было считать пребиотически правдоподобными, не увенчались успехом. .

«Мы выбрали другой путь», - сообщает соавтор проекта Мартин Эттер из DESY. «Мы попытались выяснить, могут ли пары оснований образовываться механической энергией или просто нагреванием». С этой целью команда изучила метилированные азотистые основания. Наличие метильной группы (-CH3), присоединенной к соответствующим азотистым основаниям, в принципе позволяет им образовывать водородные связи на стороне Уотсона-Крика молекулы. Метилированные азотистые основания встречаются в природе во многих живых организмах, где они выполняют множество биологических функций.

В лаборатории ученые пытались получить пары азотистых оснований путем измельчения. Порошки двух азотистых оснований загружали в размольный стакан вместе со стальными шарами, которые служили мелющими телами, в то время как сосуды встряхивали контролируемым образом. В ходе эксперимента были получены пары A: T, которые ранее также наблюдались другими учеными. Однако измельчение не привело к образованию пар G: C.

На втором этапе исследователи нагревали измельченные порошки цитозина и гуанина. «При температуре около 200 градусов по Цельсию мы действительно могли наблюдать образование пар цитозин-гуанин», - сообщает Столар. Чтобы проверить, образуют ли основания только известные пары в тепловых условиях, команда повторила эксперименты со смесями трех и четырех азотистых оснований на измерительной станции P02.1 рентгеновского источника DESY PETRA III. Здесь детальная кристаллическая структура смесей может быть отслежена во время нагрева и может наблюдаться образование новых фаз.

«При температуре около 100 градусов Цельсия мы смогли наблюдать образование пар аденин-тимин, а при температуре около 200 градусов Цельсия - образование пар Уотсона-Крика гуанина и цитозина», - говорит Эттер, руководитель измерительной станции. «Никакая другая пара оснований не образовывалась даже при дальнейшем нагревании до плавления». Это доказывает, что термическая реакция спаривания азотистых оснований имеет ту же селективность, что и в ДНК.

«Наши результаты показывают возможный альтернативный путь того, как могли быть сформированы молекулярные модели распознавания, которые мы наблюдаем в ДНК», - добавляет Столар. "Условия эксперимента правдоподобны для молодой Земли, которая была горячим, бурлящим котлом с вулканами, землетрясениями, ударами метеоритов и всевозможными другими событиями. Наши результаты открывают много новых путей в поисках химического происхождения жизни. " Команда планирует продолжить исследование этого маршрута с помощью последующих экспериментов на P02.1.

DESY является одним из ведущих мировых центров ускорителей частиц и исследует структуру и функции материи - от взаимодействия крошечных элементарных частиц и поведения новых наноматериалов и жизненно важных биомолекул до великих загадок Вселенной. Ускорители и детекторы элементарных частиц, которые DESY разрабатывает и строит на своих предприятиях в Гамбурге и Цойтене, являются уникальными исследовательскими инструментами. Они генерируют самое интенсивное рентгеновское излучение в мире, ускоряют частицы до регистрации энергии и открывают новые окна во Вселенную. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца, крупнейшей научной ассоциации Германии, и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (90 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов).

«Цель состоит в том, чтобы сделать двухэтапный тест доступным для любой лаборатории в мире, сталкивающейся с этими препятствиями, и увидеть широкое распространение», - сказала она.