Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

Выполненный им синтез нуклеотидов стал превосходным примером этого. Обычно фосфат последним водружается на нуклеотид. Однако Сазерленд понял, что его лучше добавить в самом начале, поскольку он позволяет прекратить некоторые нежелательные реакции. Использование фосфата на ранних этапах многие химики назвали бы ненужным загрязнением, но на деле это пошло эксперименту на пользу.

Гюнтер фон Кедровски (знакомый нам по главе 8 создатель самореплицирующихся наборов молекул) назвал такое изучение сложных смесей веществ “системной химией”[502]. Эта идея не особенно отличается от сетей химических реакций в понимании Стюарта Кауфмана. Тот полагал, что смесь из множества различных соединений может повести себя неожиданным и очень сложным образом, совсем не так, как небольшое их количество. Однако конечный результат таких процессов не должен являть собой простую свалку сотен случайных соединений. Ученые стремились создать такую комбинацию, которая бы рождала множество ценных соединений и как можно меньше соединений нежелательных.

Свидетельства в пользу того, что нуклеотиды, аминокислоты и липиды могли образоваться вместе и разом, копились уже не один десяток лет, но им не уделяли должного внимания. Об этом свидетельствовали, в частности, исследования упавших на Землю метеоритов, в том числе Мерчисонского метеорита, приземлившегося в Австралии в 1969 году. Этот метеорит относится к особому типу так называемых углистых хондритов. В них содержится много соединений углерода, включая и те, которые обычно обнаруживают в живых организмах. Еще в 1985 году Дэвид Димер выявил в Мерчисонском метеорите молекулы, близкие липидам, – возможно, они могли быть основой мембран и везикул[503]. Также в этом метеорите присутствовали многие аминокислоты[504], а астробиолог Зита Мартинс даже смогла идентифицировать в нем одно из азотистых оснований РНК[505]. Биологических молекул в Мерчисонском метеорите немного, но сам факт их присутствия в пробах камня с внеземным происхождением говорит о том, что эти вещества вполне могут образоваться вместе, – если для этого есть подходящие условия.

Какого рода процесс мог создать все эти вещества одновременно? Значительную часть своей карьеры итальянский биохимик Эрнесто Ди Мауро посвятил именно этой проблеме. Начиная с 1990-х годов, он изучает соединение, называемое формамид[506]. Это одно из нескольких напоминающих цианид веществ, которые чрезвычайно полезны для синтеза биологических молекул[507]. Молекула формамида состоит всего из шести атомов: углерода, кислорода, азота и трех водородов. Он близок цианамиду, который использовал Сазерленд, а также формальдегиду – той самой молекуле из четырех атомов, которую применяли в своих экспериментах и Вэхтерсхойзер, и Оро.

Но самое главное – это то, что таких веществ во Вселенной немало. Астрономы обнаружили формамид, цианамид и формальдегид в космосе еще в 1970-е[508]. Они возникли там в результате реакций между совсем простыми соединениями – вроде воды и циановодорода, которые есть во тьме межзвездного пространства.

Возможное участие формамида в зарождении жизни было известно с 1960-х[509]. А в 2001 году группа Ди Мауро доказала возможность его превращения в компоненты РНК. Для этого чистый формамид нагревали до температуры 160 °C 48 часов подряд. Реакция происходила в присутствии распространенных минералов, в том числе известняка. В результате удалось получить аденин и цитозин, то есть два нуклеотида РНК и ДНК[510]. Разумеется, было бы эффектнее получить сразу все нуклеотиды – и это и впрямь удалось Сазерленду спустя восемь лет[511]. Но в то время полученный результат стал важным шагом вперед.

“С тех пор мы начали анализировать все реакции синтеза, происходящие с участием формамида, – говорит Ди Мауро. – Оказалось, что их множество”. Важно, что многие минералы могут ускорять реакции, в которых участвует формамид[512]. Среди них оказался (пора уже перестать этому удивляться) и глинистый минерал монтмориллонит[513]. Очевидно, формамид может работать независимо от каких-то конкретных мест или минералов.

Мало того: возможности этого вещества не ограничиваются участием в синтезе оснований нуклеиновых кислот. В 2011-м группа исследователей под руководством Ди Мауро подвергла действию формамида образцы Мерчисонского метеорита[514]. На сей раз помимо азотистых оснований они получили еще и аминокислоты. Сазерленд, несомненно, избрал правильный путь. Строительные блоки и белков, и нуклеиновых кислот удалось получить с помощью одного и того же соединения. Спустя четыре года Ди Мауро и его сотрудники повторили эти эксперименты, подействовав на вещества пучком протонов с высокой энергией. Такая стимуляция позволила получить почти полноценные нуклеотиды – хотя в них не хватало фосфата, ученым удалось самое сложное: сахар и азотистое основание оказались соединены[515]. Ди Мауро считает, что вся поверхность юной Земли представляла собой химическую фабрику, создавшую органические вещества[516].

А как обстояли дела у Сазерленда? После статьи 2009 года он перебрался в Лабораторию молекулярной биологии Кембриджа, где сотрудников не принуждают с неимоверной скоростью выпускать все новые статьи и где, соответственно, они могут позволить себе рисковать и браться за длительные эксперименты. Воспользовавшись этой возможностью, Сазерленд продолжил свою “охоту” на “химию Златовласки”. В 2012 году он и его коллега Дуглас Ритсон получили два простых сахара (гликольальдегид и глицеральдегид), которые были необходимы для получения нуклеотидов РНК. Исследователи выяснили, что эти сахара образуются из циановодорода под воздействием ультрафиолетового излучения[517], [518]. Это особенно радует, поскольку циановодород также способен превращаться в цианамид, который нужен для этой реакции.

Прошло еще три года, и ученые провели под руководством Сазерленда эксперимент, который можно счесть (по крайней мере, на сегодняшний день) их самым большим успехом[519]. Они вновь начали с циановодорода, но на сей раз добавили к нему одно содержащее серу соединение и минерал (в качестве катализатора). Реакция происходила в потоке ультрафиолета[520]. В зависимости от исходных веществ циановодород превращался в несколько различных продуктов реакции. Среди них были как предшественники нуклеотидов (знакомые нам по синтезу 2009 года), так и предшественники аминокислот и даже липидов. Оказалось, что ту же самую простую химию можно перестроить так, чтобы она производила белки, нуклеиновые кислоты или липиды для образования мембраны – то есть все основные компоненты живых клеток.

“РНК и белки в современной биологии неразлучны, а из химии следует, что они держались вместе с самого начала”, – утверждает Сазерленд, вторя таким образом Карлу Вёзе, который предугадал центральное значение связи между нуклеиновыми кислотами и белками еще в далеком 1967 году[521]. Вёзе отмечал, что ген, не кодирующий белок, нельзя считать геном в полном смысле этого слова[522]. Это всего лишь цепочка нуклеиновой кислоты, на которой записана бессмыслица. И потому не важно, РНК или белок появились раньше. Суть заключается именно в их взаимосвязи.

Тем не менее многие продолжали сомневаться, что все основные биологические молекулы могли возникнуть разом и вместе, указывая, к примеру, на тот факт, что синтез Сазерленда возможен только как последовательность большого количества этапов. Сторонника гипотезы щелочных гидротермальных источников Майка Рассела в разговоре со мной переполняли эмоции: “Сазерленд просто сумасброд. Он показывает всякие химические фокусы, но все это ни фига не значит”.

Однако другие ученые тоже начали исследовать химический подход “вначале было все сразу”. Скажем, Лерой “Ли” Кронин придумал способ получения нуклеотидов из сахаров, фосфатов и азотистых оснований – ту самую реакцию, которую Сазерленд “обошел стороной”. Кронин добился этого в 2019 году – он нагревал все три соединения, добавив к ним аминокислоты[523].