Робохимику поручили проверку гипотез о зарождении жизни

Химики создали робота, который может непрерывно на протяжении нескольких недель проводить химические реакции. При этом автоматизированная система способна сама отслеживать изменения в реакционной смеси и принимать решение, каким будет ее следующий шаг. Благодаря длительным экспериментам химики надеются показать, как именно из простых органических веществ сформировались более сложные молекулы. Работа опубликована в Nature Communications.

На ранней Земле пребиотические вещества под влиянием внешней среды на протяжении длительного периода (около ста миллионов лет) претерпевали изменения, формируя биохимические системы. Однако когда современных ученые пытаются воссоздать условия подобных реакций, их эксперименты сильно ограничены по времени и длятся от нескольких часов до нескольких дней. Например, 3,7 процента всех реакций, опубликованных исследователями в период с 1771 по 2011 год, длились дольше двух дней. В то же время, по-настоящему полное исследование сложной многокомпонентной системы требует намного больше времени и порой – проведения нескольких параллельных экспериментов. Кроме того, полученные результаты требуют сложного анализа – образцы содержат множество соединений, и точно определить каждое из них практически невозможно.

Существует много теорий, которые пытаются объяснить, как именно живые системы возникли из неживых. Например, есть гипотеза, что углеводородный метаболизм возник как геохимический процесс и постепенно развился – пути реакций стали очень сложными. И несмотря на то, что отдельные этапы такого сценария были воспроизведены в лабораториях, всю гипотезу проверить невозможно – на это потребуется очень много времени. Эта же проблема возникает и для гипотез, объясняющих возникновение клеточных мембран или ДНК.

Большая часть подобных исследований сейчас фокусируется на пребиотических веществах – органических соединениях, из которых возникли затем молекулы, принципиально важные для развития жизни. Однако знания ученых в этой области геохимии сильно ограничены: неизвестно, какие начальные материалы были доступны, а также при каких условиях проходили реакции. Во многих экспериментах ученые сознательно ограничивают размер химического пространства – совокупности всех доступных соединений и реакций. Это позволяет определять каждый продукт реакций при помощи стандартных аналитических подходов. Для того чтобы воссоздать химическое пространство, похожее на то, в котором зарождалась жизнь, условия экспериментов должны быть комплексными. Например, можно добавить минеральные поверхности и сделать вариабельной температуру в системе и кислотность среды. Однако у ученых не хватает платформы, которая позволила бы проверять конкурирующие гипотезы на протяжении долгого времени.

Группа ученых из Университета Глазго под руководством Лероя Кронина (Leroy Cronin) представила робота-химика, который ставит эксперименты с пребиотическими соединениями. Исследователи надеются, что со временем в такой системе будут образовываться более сложные по строению вещества.

Сначала ученые при помощи машинного обучения обозначили, какие варианты результатов реакций могут возникнуть, если комбинировать 2-3 реагента из выбранных ими 18. Химики отмечают, что список из 18 стартовых веществ не может быть составлен объективно, потому что выбор соединений делает человек. Однако множество возможных продуктов реакций так велико, что должно содержать в себе необходимые пребиотические соединения.

Химики сконструировали робота таким образом, чтобы он мог повторять реакции циклами на протяжении долгого времени (30 дней и больше) при минимальном вмешательстве человека. Робот может менять состав стартовой комбинации реагентов и проводить эксперименты со смесями жидкостей (растворов веществ) и с твердыми минеральными частицами. Кроме емкостей для работы с реакционными смесями, к роботу присоединен аппарат для проведения жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией.

Автоматизированная система может проводить измерения и даже сама принимать решения, основываясь на показаниях спектрометрии. Каждый эксперимент состоит из 60-150 циклов по 3-12 часов. В системе присутствуют частицы кварца, улексита и пирита, к которым добавляются по 30 миллилитров растворов случайным образом выбранных двух-трех веществ. Реакции происходят при температуре 70 градусов Цельсия. В конце каждого цикла, небольшой образец смеси отправляется на масс-спектрометрический анализ, а 70 процентов смеси всего раствора – в емкость для хранения. К оставшейся части заново добавляются реагенты, и цикл повторяется. Таким образом, к концу эксперимента, в итоговой смеси остаются только те продукты, которые образуются в достаточно большом количестве в каждом цикле.

Ученые провели ряд экспериментов при помощи робота. Становится ли более сложным строение продуктов реакции, система отслеживала при помощи индекса массы – показателя, который отражает соотношение разницы между самым тяжелым и легким продуктом реакции к количеству пиков на спектре. Высчитывая индекс после каждого цикла реакции, система определяет, меняется ли состав продуктов в течение эксперимента. Как только показатель становится стабильным от цикла к циклу, робот меняет набор соединений, добавляемых в смесь.

Интересно, что исследователи провели один из таких экспериментов дважды, сначала – измеряя индекс после каждого цикла и позволяя алгоритму принимать решения насчет дальнейших шагов, а затем отключили алгоритм и повторили все его действия с теми же соединениями. Несмотря на всю идентичность условий, индекс массы смесей отличался на протяжении эксперимента. Ученые показали, что количество одних и тех же продуктов в смеси распределяется по-разному даже после идентичных прогонов. Химики предположили, что причиной стали минералы – даже добавляя частицы одинакового размера, нельзя точно воспроизвести условия реакций на их поверхности.

Конструкторы считают, что созданная ими платформа поможет другим ученым в исследованиях возникновения биохимических путей и проверки гипотезы о том, что такие пути возникли еще до появления ферментов. Алгоритм, который представили исследователи, достаточно простой для анализа «химического беспорядка», который становится результатом подобных экспериментов. В дальнейшем ученые надеются уточнить, какие процессы, например, помогли некоторым веществам не вымываться из реакционной смеси в ходе многих циклов эксперимента. Например, есть вероятность самокопирования молекул. Определение таких механизмов однажды может помочь найти недостающее звено в цепи перехода процессов от химических к биологическим.

Возможность самокопирования молекул (в качестве процесса-предшественника метаболизма) ученые уже показывали  экспериментально: молекулы в созданной системе могли самоорганизоваться в волокна. Кроме того, химики нередко показывают результаты экспериментов, поддерживающих гипотезу мире РНК – этапе возникновения жизни на Земле, во время которого РНК стала первой сложной биомолекулой, способной к самовоспроизведению и катализу. Так, исследователи описывали возможный путь синтеза пуринов из пребиотических соединений, а позже еще создали РНК-фермент, который теоретически мог катализировать биохимические реакции на ранних этапах зарождения жизни.

Вера Сысоева