Химики объяснили появление ключевых компонент ДНК на ранней Земле

Химики из Университета Людвига Максимилиана обнаружили возможный пребиотический путь синтеза пуринов — азотистых оснований, входящих в состав РНК и ДНК. Авторы отмечают, что предложенный ими синтез согласуется с условиями, соответствующими ранней Земле, и, кроме того, дает высокий выход нуклеозидов аденина и гуанина — соединений, в которых азотистые основания уже связаны с углеводным скелетом. Работа является новым аргументом, поддерживающим гипотезу мира РНК как стартовой точки возникновения жизни. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко с ним можно ознакомиться в редакционном материале.

Аденин и гуанин — два из четырех органических соединений, ответственных за образование комплементарных водородных связей в двухцепочечных молекулах ДНК и в сложных пространственных структурах РНК. Каждое из них состоит из двух циклических фрагментов — пиримидинового (шестиугольник с двумя атомами азота и четырьмя углеродами) и имидазольного (пятиугольник с двумя атомами азота), — склеенных между собой в пуриновый «скелет». Именно дополнительные группы, прикрепленные к «скелету» обеспечивают работу принципа комплементарности.

В двухцепочечных молекулах нуклеиновых кислот, напротив аденина и гуанина в норме оказываются цитозин и тимин (или урацил — в РНК). Эти азотистые основания имеют более простую структуру, чем пурины — в них лишь одно пиримидиновое (шестиугольное) кольцо. Семь лет назад химикам удалось предложить путь, согласно которому пиримидиновые основания могли возникнуть из простых молекул, однако надежного пребиотического синтеза пуринов до сих пор предложено не было. Новая работа заполняет эту брешь.

Первоначально авторы изучали какие есть пути возникновения повреждений в молекулах ДНК. Среди прочего, химики рассмотрели взаимодействие ДНК с молекулой формамидопиримидина — как видно из названия, в ней содержится лишь шестиугольный фрагмент, характерный для цитозина и тимина. Оказалось, что формамидопиримидины легко могут превращаться в пурины, замыкая второй цикл в молекуле, например — при реакции с сахарами.

Ученые проверили, могли ли сами формамидопиримидины образоваться на ранней Земле. Первый шаг к их синтезу был довольно простым — водород, циановодородная кислота и вода, широко распространенные ранее, легко образуют в результате реакций конденсации различные аминопиримидины (шестиугольные циклические соединения с прикрепленными к ним остатками аммиака). Однако для перехода от них к формамидопиримидинам химикам надо было добиться того, чтобы лишь определенные аминогруппы вступали в реакцию с муравьиной кислотой или молекулой формамида. 

Химикам удалось показать, что присутствие небольших количеств кислоты на поверхности ранней Земли могло обеспечить очень высокую селективность требуемой химической реакции. В качестве источника формамида авторы рассматривают кометы, подобные комете Чурюмова—Герасименко — не так давно на последней были обнаружены различимые количества этого и многих других органических веществ. 

После того, как молекула формамидопиримидина образовалась, реакция с сахарами (в частности, с рибозой) протекает с высокой селективностью и выходом вплоть до 60 процентов. Интересно отметить, что прекурсоры рибозы, входящей в состав РНК также были обнаружены миссией «Розетты». В результате образуются нуклеозиды. Если соединить последние мостиками из фосфорной кислоты получится полноценная одноцепочечная молекула РНК.

Эксперты отмечают, что условия, предложенные авторами новой работы, несколько отличаются от использованных в более ранней работе о синтезе урацила и цитозина. Поэтому говорить о полноценной модели возникновения РНК на Земле пока еще нельзя. Но тем не менее ученые рассматривают работу как большой шаг вперед на пути к созданию модели мира РНК.

Согласно этой модели, роль носителя информации и катализатора раньше выполняли молекулы РНК и их ансамбли. Эти молекулы, подобно ДНК, могут самореплицироваться — создавать свои копии — и формировать двойные цепочки. Накопленные мутации и изменения привели к возникновению РНК, катализирующих синтез белков-ферментов, появлению молекул ДНК и, впоследствии, к образованию клеточных мембран.

Владимир Королёв