Jedným z hlavných vedeckých problémov, na ktorom vedci na celom svete pracujú, je pôvod života na Zemi. V posledných desaťročiach sa v tejto oblasti dosiahlo veľa úspechov, napríklad sa vyvinul koncept sveta RNA. Stále však nie je známe, ako presne vznikli molekuly, ktoré slúžili ako prvé „stavebné kamene“života. Časopis Science publikoval článok, ktorý odpovedá na najdôležitejšiu otázku: odkiaľ pochádzajú nukleotidy tvoriace RNA. „Lenta.ru“odhaľuje podrobnosti štúdie a hovorí o jej význame.
Podľa moderných vedeckých konceptov vznikol život z organických zlúčenín, ktoré spolu reagovali a vytvorili kľúčové molekuly - nukleozidy. O nukleozide je známe, že je tvorený cukrovou ribózou alebo deoxyribózou a jednou z piatich dusíkatých báz: adenín, guanín, tymín, cytozín alebo uracil. Nukleozidy sú prekurzory nukleotidov, z ktorých sa zase skladá DNA a RNA. Aby sa nukleozid zmenil na nukleotid, je potrebná ďalšia zložka - zvyšky kyseliny fosforečnej.
Prečo nukleozidy prichádzajú do popredia? Na túto otázku odpovedá vedecký koncept známy ako hypotéza o svete RNA, ktorý verí, že to bola RNA, ktorá stála na počiatku života. Molekuly ribonukleových kyselín boli prvými, ktoré uskutočňovali katalýzu chemických reakcií v primárnom bujóne, naučili sa kopírovať samy seba a navzájom, a čo je najdôležitejšie, mať dedičné informácie. Tieto RNA sa nazývajú ribozýmy. Pokiaľ nejaká molekula RNA bola schopná syntetizovať svoje vlastné kópie, potom sa táto vlastnosť preniesla z generácie na generáciu. Kopírovanie niekedy sprevádzali chyby, v dôsledku čoho nové RNA získali mutácie.
Mutácie môžu vážne poškodiť katalytické vlastnosti molekúl, ale môžu tiež zmeniť RNA, čo jej dáva nové schopnosti. Napríklad vedci zistili, že niektoré mutácie urýchľujú samokopírovací proces a zmenené ribozýmy po chvíli začínajú dominovať nad „normálnymi“. Molekulárni biológovia pod vedením Briana Pegela z Scripps Research Institute v Kalifornii pozorovali, ako sa enzymatická aktivita ribozýmov v priebehu troch dní vývoja v laboratóriu zvýšila 90-násobne. Preto, aj keď ribozýmy neboli spočiatku veľmi aktívne, molekulárna evolúcia ich mohla zmeniť na ideálne katalytické stroje.
Hypotéza sveta RNA však stále naráža na množstvo ťažkostí. Napríklad nie je známe, ako sa môže vyskytnúť abiogénna látka, to znamená bez účasti živých organizmov, syntéza prvých ribozýmov. Aj keď sa našlo veľa argumentov v prospech sveta RNA, hlavnou otázkou - ako sa to stalo - zostáva kameň úrazu.
Niektorí vedci naznačujú, že chemické zlúčeniny, z ktorých boli nukleozidy tvorené, nemôžu vzniknúť v suchozemských podmienkach, ale boli prinesené na planétu z vesmíru. Je však potrebné poznamenať, že problém súvisí s purínovými nukleozidmi - adenozínom a guanozínom, ktoré obsahujú adenín a guanín. Pre pyrimidínové molekuly obsahujúce cytozín, tymín alebo uracil sú známe syntetické cesty, ktoré by mohli dobre existovať na začiatku života. Domino podobné chemické reakcie vedú k tvorbe veľkého množstva požadovaných pyrimidínov.
Propagačné video:
Vedci navrhli možnú cestu pre tvorbu purínových nukleozidov, ale môžu viesť k vzniku mnohých ďalších zlúčenín, medzi ktorými by požadované nukleozidy predstavovali iba malú frakciu. Čistenie purínov nebude fungovať, pretože nie sú iba integrálnymi zložkami RNA a DNA, ale tvoria aj adenozíntrifosfát (ATP), ktorý sa podieľa na metabolizme energie a látok v tele, a guanozíntrifosfát, ktorý slúži ako zdroj energie pre syntézu proteínov.
Jednoduchý spôsob, ako vytvoriť nukleozid, napríklad adenozín, je kombinovať adenín s ribózou v prítomnosti NH40H. Ribóza sa viaže na jeden z atómov dusíka adenínu, iba má ich niekoľko a na syntéze adenozínu by sa mal podieľať iba dusík v deviatom postavení. Okrem toho sa ukazuje, že tento atóm dusíka nie je príliš reaktívny. To znamená, že ak je hypotéza sveta RNA správna (čo je viac ako pravdepodobné), musí existovať nejaký iný spôsob syntézy adenozínu a guanozínu v primárnom bujóne.
V novej štúdii vedci navrhli inú cestu syntézy purínových nukleozidov, ktorá rieši problém a posilňuje pozíciu konceptu sveta RNA. Všetko to začína aminopyrimidínovými molekulami, ktoré sa ľahko tvoria zo zlúčeniny tak jednoduchej ako NH4CN. Toto sa deje tvorbou guanidínu, potom reaguje s aminomalonitrilom, čo vedie k tvorbe molekuly tetraaminopyrimidínu. Ľahko oxiduje v prostredí obsahujúcom kyslík, ale zostáva stabilný v atmosfére bez kyslíka, ktorá bola pre Zem charakteristická pred narodením života. Okrem tetraaminopyrimidínu sa môžu vytvárať ďalšie podobné molekuly: triaminopyrimidinón a triaminopyrimidín. Všetky tieto zlúčeniny sú ľahko rozpustné vo vode.
Najdôležitejšie je, že pre všetky tri aminopyrimidíny je reaktívny iba určitý atóm dusíka, čo rieši problém účasti na reakcii iných atómov, ktorý je charakteristický pre adenín. Okyslené prostredie vedie k tomu, že atómy dusíka v kruhu viažu protóny a blokujú všetky vonkajšie aminoskupiny, s výnimkou jednej umiestnenej v piatej polohe. Po zahriatí zmesi aminopyrimidínov a kyseliny mravčej sa vytvorí iba jedna možná zlúčenina - formamidopyrimidín. Výťažok reakcie je 70 až 90%.
Formamidopyrimidín napriek svojej podobnosti s purínmi nemá svoje nevýhody. Atóm dusíka v deviatej polohe, ako sa ukázalo, je najreaktívnejší a reakcia s ribózou v alkalickom prostredí vždy vedie k rovnakému výsledku: syntéze uhlíkových skeletov pre purínové nukleozidy. Je zaujímavé, že formamidopyrimidín sa aktívne podieľa na tvorbe ribózy z glykolaldehydu a glyceraldehydu, čo uľahčuje syntézu nukleozidov v prostredí amoniaku. Všeobecne sa vedcom podarilo objaviť cestu pre tvorbu nukleotidových prekurzorov z najjednoduchších derivátov amoniaku. Takéto deriváty boli nedávno nájdené na kométe Churyumov-Gerasimenko, čo potvrdzuje pohľad na aktívnu účasť komét na zásobovaní Zeme všetkým, čo je potrebné pre vznik života.
Chemický vývoj však vyvoláva mnoho ďalších otázok a na ich zodpovedanie bude potrebné úsilie výskumných pracovníkov z celého sveta. Kompletný obraz abiogenézy by mal popisovať nielen vznik nukleotidov a iných organických molekúl bez účasti živých organizmov, ale aj ich vzájomné pôsobenie v podmienkach ranej Zeme, interakciu, ktorá viedla k vytvoreniu prvých buniek.
Alexander Enikeev