Химики нашли универсальный путь возникновения самых первых РНК

Ученые из Университетского колледжа Лондона и Гарвардского университета описали универсальный способ синтеза первых рибонуклеотидов — компонентов, из которых состоят молекулы РНК. Предложенная схема предполагает синтез как пуриновых, так и пиримидиновых нуклеотидов из одного предшественника в сходных условиях, что хорошо согласуется с требованиями гипотез о зарождении жизни на Земле. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Среди ученых, занимающихся проблемами возникновения жизни на Земле, популярна гипотеза о «мире РНК», согласно которой первыми биологическими полимерами были молекулы рибонуклеиновой кислоты. Последние, в отличие от молекул ДНК, способны не только кодировать и воспроизводить информацию, но и осуществлять ферментативные реакции без участия белков. Как ДНК, так и РНК состоят из мономеров — нуклеотидов, представляющих собой комплексы из азотистого основания, сахара и фосфата (без фосфата эти соединения называются нуклеозидами). Азотистые основания могут быть производными пурина — это аденин и гуанин, либо пиримидина — это цитозин и урацил, если речь идет о РНК.

Чтобы убедительно показать, что образование цепочек РНК было возможно несколько миллиардов лет назад, химикам необходимо воспроизвести синтез рибонуклеотидов из простых органических молекул в условиях, предположительно характерных для того времени. Если для пиримидиновых нуклеотидов такой способ синтеза уже был продемонстрирован, то пуриновые нуклеотиды до сих пор не поддавались ученым. 

Как синтез самих азотистых оснований, так и их гликозилирование (т.е. присоединение сахарного остатка) идет плохо и с низким выходом, к тому же, условия их синтеза не совпадают с таковыми для пиримидинов. Чтобы преодолеть упомянутые затруднения, коллектив химиков предложил оригинальный способ синтеза пуриновых рибонуклеозидов не по отдельности из азотистого основания и сахарного остатка, а сразу на сахаро-азотном остове молекулы-предшественника (присоединение фосфата к нуклеозиду в подобных экспериментах не представляет проблемы). Кроме того, из этого предшественника можно в сходных условиях синтезировать и пиримидиновые нуклеозиды.

На первой стадии синтеза исследователи собрали из относительно простых органических молекул фуранозил-оксазолиновый скелет с присоединенным к нему атомом серы. На второй стадии серу заместили на аминогруппу, обработав соединение аммиаком, в результате чего получили предшественник пиримидинового нуклеозида. Обработав первичный скелет более сложным амином, представляющим из себя тример HCN, исследователи получили предшественник 8-оксо-пуринового нуклеозида. Через еще одну стадию синтеза молекулы были фосфорилированы с образованием рибонуклеотидов цитозина и урацила, однако вместо аденина и гуанина были получены похожие на них 8-оксо-аденин и 8-оксо-инозин. 

Авторы работы предполагают, что именно 8-оксо-пурины входили в состав ранних РНК, так как они вполне позволяют точно копировать информацию, но при этом обладают более устойчивой связью между азотистым основанием и сахарным остатком. Кроме того, при образовании комплементарных пар с участием 8-оксо-пуринов температура их плавления ниже, чем у традиционных пар аденин-урацил и гуанин-цитозин, что могло бы облегчить процесс копирования молекул на заре «мира РНК». Несмотря на это, ученые в настоящее время исследуют, как восстановить оксо-пурины до традиционных пуринов, чтобы дополнить схему синтеза. 

Дарья Спасская