Генетические полимеры РНК и ДНК имеют определяющее значение в хранении информации во всех биологических системах и являются базовой частью большинства гипотез о происхождении жизни. Наиболее выдающейся из них является гипотеза Мира РНК, согласно которой РНК являлась главным носителем информации и катализатором биохимических реакций до появления жизни на Земле. Однако последние исследования показали, что первые генетические системы могли основываться на молекулах нуклеиновых кислот, содержащих как РНК-, так и ДНК-нуклеотиды, которые затем самостоятельно разделились на молекулы РНК и ДНК в сегодняшнем понимании. В издании Nature опубликована статья «Селективное пребиотическое возникновение пиримидиновых (РНК) и пуриновых (ДНК) нуклеозидов» Цзяньфэн Сюя (Jianfeng Xu) и соавторов о происхождении единой РНК и ДНК.
Предполагается, что первичные геохимические процессы привели к образованию структурных элементов нуклеиновых кислот – нуклеотидов и нуклеозидов (нуклеотидов, в которых отсутствует фосфатная группа). При определенных условиях происходит полимеризация нуклеотидов и дальнейшая репликация полученной цепи без помощи современных белковых ферментов.
Исследователи ранее изучили цепь реакций, вызванных ультрафиолетовым излучением, которая привела к синтезу двух пиримидиновых нуклеозидов, обнаруженных в РНК: уридина (U) и цитидина (C) (Рисунок 1). Эти реакции начались с цианистого водорода (HCN) и его производных – простых молекул, которые, вероятно, существовали на ранней Земле. Дальнейшие исследования и развитие этой реакционной цепи выявили возможность того, что предшественники белков и липидов могли возникнуть одновременно с нуклеозидами, обеспечивая три основных типа молекул, необходимых для образования клеток. Однако, при использовании той же водородной реакции, остается неясным комплементарный путь образования двух других пуриновых РНК нуклеозидов (аденозина и гуанозина).
Рисунок 1 – Цепь реакций, в результате которой продуцируются как ДНК, так и РНК субъединицы
Ранее было известно, что цепь химических реакций продуцирует субъединицы РНК цитидин (С) и уридин (U) в условиях, которые могли возникнуть на ранней Земле. Цепь начинается с цианистого водорода (HCN), а промежуточным продуктом является, рибоаминооксазолин (RAO). Сюй и соавторы сообщают, что соединения, известные как α-ангидропиримидины, продуцируемые в ходе реакций C и U, могут также параллельно превращаться в субъединицы ДНК дезоксиинозин (dI) и дезоксиаденозин (dA). Эти субъединицы могут образовывать пары оснований с C и U. Таким образом, четыре субъединицы – C, U, dI и dA, составляют полный генетический «алфавит», который вероятно использовался для кодирования биологической информации на ранней Земле.
Сю и соавторы в результате химических реакций синтеза U и C получили ожидаемые промежуточные продукты. Также был идентифицирован путь, по которому ключевой промежуточный продукт синтеза пиримидиновых нуклеозидов – рибоаминооксазолин (RAO) (Рисунок 1), может быть превращен в два пуриновых ДНК нуклеозида: дезоксиаденозин (dA) и дезоксиинозин (dI, который не входит в состав современной ДНК). Эти ДНК нуклеозиды могут образовывать пары оснований с U и C. Таким образом, четыре нуклеозида – U, C, dA и dI составляют полный генетический «алфавит», который мог кодировать информацию в нуклеиновых кислотах в мире пребиотических РНК-ДНК.
Важным является то, что синтез dA и dI может происходить параллельно с синтезом U и C, образуя смеси четырех продуктов в выходном соотношении, подходящем для построения генетической системы. Такая сочетаемость двух путей синтеза увеличивает вероятность подлинности этой химической модели в качестве пребиотической системы. В случае несовместимости этих путей, было бы необходимо искать другие геологические сценарии, для объяснения происхождения разобщения и дальнейшего объединения химических реакций для образования гибридных молекул РНК-ДНК. Примечательно то, что при определенных условиях U и C могут существовать только в присутствии соединений тиоангидропурина, который действует как прямой предшественник dA и dI.
Многие органические молекулы могут быть получены в виде лево- и правосторонних соединений, известных как энантиомеры, которые являются зеркальным отображением друг друга. Однако современные нуклеотиды и их структурные элементы принимают одинаковую энантиомерную форму. Одна из основных трудностей в исследованиях происхождения жизни состоит в том, чтобы объяснить, как отдельные энантиомеры могли быть получены из простых молекул-предшественников, которые не имели бы направленности и могли образоваться на ранней Земле. В этом отношении в исследованиях Сюя и его коллег синтез пурина рассмотрен как высокоселективный в отношении энантиомеров и других изомеров нуклеозидов, наблюдаемых в современной биологии.
Были опубликованы статьи об альтернативных путях комбинированного пребиотического синтеза пиримидиновых и пуриновых нуклеозидов и нуклеотидов. Эти способы требуют использования химически и энантиомерно чистых сахаров в качестве исходного вещества, синтез которых происходит при недостаточно изученных пребиотических процессах. Напротив, энантиоселективность, о которой сообщают Сю и соавторы, происходит от RAO, которая может кристаллизоваться в виде одного энантиомера в результате реакций, в которых исходные вещества являются почти рацемическими (то есть состоят из почти равной смеси энантиомеров).
Во время синтеза основание нуклеозида может прикрепляться к сахару в неправильном положении. В синтетическом пути, предложенном Сюем и его коллегами, происходит химическое восстановление, вызванное ультрафиолетом, которое приводит к избирательному разрушению нежелательных побочных продуктов и синтезу только биологически значимых изомеров пуринов. Учитывая то, что ранняя Земля находилась под сильным ультрафиолетовым излучением, высокая селективность этой реакции предполагает возможный механизм, посредством которого общий пул потенциальных изомеров нуклеиновых кислот сократился до подмножества изомеров, существующих в природе.
Работа Сюя и его коллег поддерживает теорию ранней молекулярной эволюции, несколько отличающейся от традиционной гипотезы Мира РНК, и предлагает более вероятный путь к происхождению жизни из смешанной и сложной химической среды. Учитывая отсутствие «химических окаменелостей» и неопределенность в отношении точных условий и химического состава ранней Земли, невозможно установить, какие химические пути действительно имели место. Предлагаемые системы должны как можно точнее соответствовать химическим реакциям и быть совместимыми с другими процессами, которые могли происходить на ранней Земле.
В настоящей работе авторы доказали, что четыре нуклеозида могут быть получены с помощью процессов, которые, ожидаемо, произошли на ранней Земле (такие как гидролиз, высыхание и ультрафиолетовое облучение), обеспечивающих вероятные реакции синтеза из необходимых исходных материалов. Однако трудно представить фактическую микросреду, которая могла бы поддержать все химические реакции необходимые для производства всех структурных элементов жизни.
Тем не менее, работа Сюя и его коллег демонстрирует, как мог возникнуть полный генетический алфавит. Независимо от гипотез о развитии жизни, системное мышление для поиска взаимосовместимых пребиотических химических путей будет иметь решающее значение для разработки правдоподобных моделей первых этапов возникновения жизни.
Источник перевода: www.nature.com
