Химики создали самовоспроизводящиеся молекулы-хулахупы

Британские и малазийские химики создали систему, внутри которой возможно самокопирование сложной органической молекулы — ротаксана. Система состоит из шаблона, роль которого играет ротаксан, и реагентов, необходимых для его сборки. По словам авторов, одна из целей работы состоит в том, чтобы показать, что однажды с помощью химических методов станет возможным создание протоклетки — простейшего самовоспроизводящегося тела. Исследование опубликовано в Journal of American Chemical Society.

Репликация или самовоспроизведение — важнейшие процессы в живой природе, именно благодаря ним возможно размножение, а значит и существование жизни. Хорошо изучена репликация молекулы ДНК, она устроена сложным образом. Для копирования ДНК оказывается в среде, в которой есть необходимые для сборки «кирпичики»-нуклеотиды, а также большое количество необходимых ферментов — своеобразных молекулярных машин. Комплекс ферментов, называемый реплисомой, закрепляется на молекуле, расплетает двойную спираль и начинает координировать напротив исходных оснований ДНК комплиментарные им нуклеотиды. В энергозатратном процессе нуклеотиды связываются между собой — так и возникают две новых цепи, формирующие копию ДНК. По сути, большая часть работы в этом процессе лежит на ферментах — массивных белковых молекулах. 

В разработке искусственных ферментов, которые позволили бы копировать любую заранее выбранную молекулу есть существенная сложность — пространственное строение белков очень трудно предсказать. Даже зная последовательность аминокислот, из которых состоит белок, определить во что он свернется — непросто. А разработать из белков систему, которая будет нужным образом располагать одну или несколько молекул и вовсе выглядит нерешаемой сейчас задачей. В новой работе химики решили обойтись без ферментов и сделать подобную систему максимально простой.

В качестве основы для искусственной системы репликации авторы выбрали соединение из класса ротаксанов. Это небольшая, по сравнению с ДНК, молекула, состоящая из длинной органической цепи, на которую «надета» кольцевая молекула. «Кольцо» обычно удерживается с помощью двух объемных заместителей по обоим концам цепи — они мешают ему соскользнуть. Если же одного из них нет, то такая молекула называется псевдоротаксаном. Он выполнял одновременно роль шаблона, по которому производилось копирование, и координирующей системы. 

Химики подобрали систему из трех соединений, которые способны к самостоятельной, но медленной организации в ротаксаны — она состоит из «колец», «цепей», замкнутых с одной стороны, и небольших линейных «стопоров». При этом строение «цепей» было подобрано так, что они были способны узнавать разные концы «стопоров». Один из них прочно прикреплялся к первому из «узнающих» фрагментов «цепи», второй — относительно слабо притягивался к другому «узнающему» фрагменту.

При внесении в такую систему готового ротаксана (на «цепь» надето «кольцо» и прочно прикреплен «стопор») запускался процесс репликации. К ротаксану слабыми водородными связями присоединялся фрагмент «стопора» и «цепь» — с «кольцом» или без. Образовывался устойчивый циклический комплекс. Из-за своей формы и расположения, в таком комплексе реакция соединения «цепи» со «стопором» протекала гораздо быстрее, чем самопроизвольная. Образовывался в итоге ротаксан или нет, зависело от того, находилось ли «кольцо» в начале репликации на «цепи». 

«Стопор» представлял собой фенилуксусную кислоту, замещенную малеимидным фрагментом. Благодаря реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения последнего к нитронной группировке в «цепи» происходило образование прочных химических связей и запирание «кольца». Кислотный же остаток связывался с «цепью» водородными связями, помогая координировать репликационный комплекс.

В реакционной смеси происходило одновременно четыре типа реакций — репликации ротаксанов, репликации свободных цепей со стопорами, каталитического образования ротаксанов из псевдоротаксанов и каталитического образования свободных цепей со стопорами. Иначе говоря происходили автокаталитические и кросскаталитические процессы. Авторы отмечают, что из-за неидеальности системы образование свободных цепей происходило быстрее, чем образование ротаксанов — иногда «кольца» связывались с нитронными группами в цепи, не позволяя прикрепить «стопор» и создать ротаксан. Эксперимент показал, что в системе образуется в два-три раза больше свободных цепей, чем ротаксанов.

Однако химики указывают на то, что если избежать связывания колец с «неправильными» фрагментами цепи, то можно ожидать пятнадцатикратного избытка ротаксанов над свободными цепями. Этого авторы планируют добиться в будущем.