Учёные обнаружили новые органические соединения, которые могли помочь сформировать первые клетки

Химики, изучающие зарождение жизни, часто фокусируются на современных биополимерах, таких как пептиды и нуклеиновые кислоты. Однако эти современные биополимеры не образуются легко без помощи живых организмов. Возможное решение этого парадокса — жизнь началась с других компонентов, и многие небиологические химические вещества, вероятно, были широко распространены в окружающей среде. Новое исследование международной команды химиков из Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института и других институтов из Малайзии, Чехии, США и Индии показало, что разнообразный набор таких соединений легко образует полимеры в примитивных условиях окружающей среды, а некоторые даже спонтанно формируют клеткоподобные структуры.

Понимание того, как жизнь зародилась на Земле, — одна из самых сложных задач современной науки. Учёные предполагают, что жизнь существует на Земле как минимум 3,5 миллиарда лет из 4,5-миллиардной истории планеты. Проблема в том, что самые ранние следы жизни на динамичной поверхности Земли не сохранились в геологической летописи. «Предбиотическая химия может рассказать нам ещё очень многое о том, как могла возникнуть жизнь», — говорит соавтор исследования Джим Кливз.

Чтобы понять, как появилась современная биология, важно изучать правдоподобные небиологические химические процессы или структуры, которых сейчас нет в современной биологии, но которые, возможно, исчезли по мере усложнения жизни. Все современные организмы имеют несколько общих черт: они клеточные, используют ДНК для хранения информации и РНК для создания белков. Однако в ранний период биологической эволюции, около 4 миллиардов лет назад, почти ни одна из молекулярных особенностей современной биохимии, вероятно, не присутствовала.

Белки — это линейные полимеры аминокислот, которые сворачиваются в уникальные трёхмерные формы, образуя эффективные катализаторы. В принципе, многие типы полимеризованных молекул могут образовывать похожие цепи и складываться в аналогичные каталитические формы. «Цель такого исследования — найти функциональные полимеры в правдоподобных пребиотических системах без помощи биологии», — говорит соавтор Ирена Мамаджанова.

Учёные нашли много способов получения биологических органических соединений без вмешательства биологии. Эти механизмы помогают объяснить присутствие таких соединений в образцах, например, углистых метеоритах — реликтах ранней Солнечной системы. Эти образцы также содержат множество других типов молекул, которые могли образовывать сложные свёрнутые полимеры, подобные белкам, и помогать направлять примитивную химию. Команда ELSI предположила, что альтернативные полимеры могли способствовать этому ещё до того, как эволюционировала связь между ДНК и белком. «Возможно, мы не можем реконструировать происхождение жизни; продуктивнее попытаться построить её с нуля, и не обязательно с использованием современных биомолекул», — говорит соавтор Кухан Чандру.

Команда ELSI провела простой, но глубокий эксперимент: они взяли большой набор структурно разнообразных малых органических молекул, которые могли быть получены пребиотическими процессами, и попытались выяснить, могут ли они образовывать полимеры при испарении из разбавленного раствора. К их удивлению, многие из примитивных соединений могли это делать, хотя некоторые из них быстро разлагались. Эта простая характеристика — способность соединения высыхать без разложения — могла быть одним из самых ранних эволюционных факторов отбора для первичных молекул.

Команда провела ещё один простой тест. Они взяли эти высушенные реакционные смеси, добавили воду и изучили их под микроскопом. К их удивлению, некоторые продукты этих реакций образовали компартменты размером с клетку. Тот факт, что простые исходные материалы, содержащие 10–20 атомов, могут превращаться в самоорганизующиеся клеткоподобные агрегаты, содержащие миллионы атомов, даёт поразительное представление о том, как простая химия могла привести к сложной химии, граничащей со сложностью живых систем, без использования современных биохимических веществ.

«Мы не тестировали все возможные соединения, но мы протестировали множество. Разнообразие химического поведения, которое мы обнаружили, удивительно и позволяет предположить, что такое превращение малых молекул в функциональные агрегаты является общей чертой органической химии. Это может сделать происхождение жизни более распространённым явлением, чем считалось ранее», — заключает соавтор Нираджа Бапат.