Код жизни. Как случайность стала биологией

Сейчас наша главная забота – понять, как запасы чистого кристаллического РАО могли превратиться в сырье, необходимое для зарождения жизни – в нуклеотиды, строительный материал РНК. Как мы уже знаем, РАО хорошо реагирует с очень реакционноспособным соединением цианацетиленом, которое, в сущности, представляет собой молекулу ацетилена, связанную с молекулой циановодорода. Продукт такой реакции – нуклеозид, предшественник Ц, до обидного близкий к тому Ц, который присутствует в РНК, но не совсем такой, как надо. К этому препятствию мы еще вернемся, однако первый вопрос состоит в том, откуда возьмется цианацетилен. Ответ состоит в том, что это вещество может образовываться в восстановительной атмосфере, богатой метаном, водородом и аммиаком, а также циановодородом. (Кстати, цианацетилена много в атмосфере Титана, спутника Сатурна.) Однако сама реакционная способность цианацетилена всегда ставила под некоторое сомнение возможность его реакции с РАО, так как не было окончательно понятно, как в нужном месте в нужное время может накопиться достаточно цианацетилена для запуска синтеза нуклеотидов.

Недавно ученые из лаборатории Сазерленда нашли выход и из этого положения – там, где не ждали, а именно в химических особенностях самого циановодорода. Концентрированный раствор циановодорода, в формамиде, продукте собственного гидролиза, и слегка нагретый, дает неожиданно много аденина (сокращенно А). Как мы уже отмечали, аденин, один из канонических кирпичиков, из которых состоит РНК и ДНК, – это всего-навсего пять молекул циановодорода, соединенных нужным образом. Однако аденин – не единственный продукт этого синтеза. Другой доминирующий продукт – молекула, состоящая из четырех молекул циановодорода, соединенных так, что получается плоское кольцевидное ядро с двумя торчащими из него цианидными группами (-CN), условно называемая DCI (дицианоимидазол). Все это – обходной путь, который приведет нас к решению проблемы цианацетилена. Исследователи из лаборатории Сазерленда, к своему удивлению, обнаружили, что DCI быстро реагирует с цианацетиленом и образует стабильное соединение, которое мы для простоты будем называть CV-DCI (циановинил-дицианоимидазол). Это любопытное вещество, кристаллизующееся из смеси реагентов в виде красивых плоских кристаллов – опять же чудесный стабильный запас главного реакционноспособного соединения. Но главное – CV-DCI не настолько стабилен, чтобы его драгоценный груз, цианацетилен, оказался заперт в нем на веки вечные в инертной форме. На самом деле CV-DCI медленно выделяет цианацетилен в раствор, где он может реагировать с РАО и давать «не совсем тот» предшественник Ц.

В этот момент сложилось впечатление, будто удалось решить сразу несколько трудных проблем, но все же рано вздыхать с облегчением, поскольку сам Ц мы так и не получили – только его дегидратированную (обезвоженную) форму, так называемый ангидронуклеозид. Хуже того, у этого ангидро-Ц азотистое основание находится ниже сахарного кольца (это так называемый α-аномер), а не выше, как в β-аномере, который мы повсеместно встречаем в живой материи, поэтому реакция с водой дает лишь α-аномер Ц. Вот оно, то самое препятствие, которое встало на пути прогресса еще 60 лет назад. Именно тогда химик Лесли Орджел и его коллеги обнаружили, что ультрафиолетовое излучение все-таки превращает очень небольшую долю формы α в вожделенную форму β. Этот результат вызвал столько же досады, сколько и радости, так как, по-видимому, не существовало способа спасти РАО от тупикового превращения в α-рибоЦ.

Решение задачи о том, как использовать склонность РАО к самоочищению посредством кристаллизации, пришло в очередной раз из размышлений над тем, в какой геологической обстановке шли предбиологические химические реакции.

Мы уже обсудили потенциальные роли одного серосодержащего вулканического газа – SO2, – но существует и другой серосодержащий газ, который трудно не заметить везде, где идет вулканическая активность. Это сероводород – сульфид водорода, H2S. Именно этим газом пахнут тухлые яйца, а еще это один из самых узнаваемых и опасных газов, выделяющихся из вулканической лавы и подземной магмы. Один из авторов (Шостак) как-то раз поехал отдохнуть на карибский остров Доминику и попытался посетить знаменитое «кипящее озеро» в активном вулкане. Однако резкая вонь H2S стала невыносимой задолго до того, как озеро показалось вдали, и ученому пришлось повернуть назад. Хотите верьте, хотите нет, но очень похожий случай произошел со вторым автором (Ливио) на острове Вулькано близ Сицилии. Подобно своему более богатому кислородом родичу SO2, H2S тоже растворяется в воде, особенно если она немного щелочная. Таким образом, вода, циркулирующая в земной коре и контактирующая с газами, выделяемыми из магмы, накапливает сероводород, который способен делать много всего интересного. Например, сероводород реагирует с ионами металлов, в том числе с двухвалентным железом, и осаждает их в виде сульфида соответствующего металла. В случае железа это минерал пирит, напоминающий золото. Однако, если сульфид отчасти остается в поверхностных водах, происходят еще более интересные реакции, что возвращает нас к загадке РАО.

Как уже отмечалось, РАО реагирует с цианацетиленом (который понемногу поступает из резервуара CV-DCI) и формирует почти правильную (но не совсем) «ангидро-форму» Ц, и проблема только в том, что кольцо Ц смотрит вниз от сахарного кольца, а не вверх, как в биологической форме Ц. Когда ангидро-Ц гидролизуется водой, у нас получается так называемый α-аномер Ц, и мы не располагаем никакими удобными способами преобразовать его в желаемую форму β, перевернув конструкцию так, чтобы кольцо Ц смотрело наверх. Так вот, ученые обнаружили, что сульфид может атаковать и такой ангидро-предшественник. В продукте этой реакции один из атомов кислорода в азотистом основании замещается атомом серы. Казалось бы, это шаг назад, ведь теперь перед нами две проблемы: кольцо по-прежнему находится в неправильном положении и к тому же модифицировано атомом серы. Однако, как это ни невероятно, именно атом серы приходит на выручку, поскольку теперь умеренное ультрафиолетовое облучение возбуждает молекулу и, в сущности, переворачивает кольцо в нужное положение – когда оно обращено наверх. Дальнейшее облучение ультрафиолетовым светом в слабощелочных условиях приводит к удалению атома серы из продукта, после чего остается та самая, природная форма рибонуклеозида Ц. Более того, то же дополнительное облучение ультрафиолетом в щелочной среде превращает Ц в У – урацил – что дает нам два из четырех канонических кирпичиков, из которых состоит РНК!

Подведем краткие итоги. Мы видели, как циановодород можно преобразовать в простые двухуглеродные и трехуглеродные сахара, которые затем стабилизируются реакцией либо с бисульфитом (из вулканического SO2), либо с 2АТ. Затем цианамид реагирует с этими сахарами и формирует сложную смесь продуктов, из которых один изомер – РАО – спонтанно кристаллизуется из раствора и тем самым образует запас чистого вещества. Далее РАО реагирует сначала с цианацетиленом (полученным из другого кристаллического запаса, CV-DCI), а затем с сероводородом и дает серосодержащий нуклеозид, который преобразуется в нужную форму (аномер) под воздействием ультрафиолетового света. Наконец, дальнейшее ультрафиолетовое облучение в щелочной воде создает смесь биологически релевантных нуклеозидов Ц и У. Общая последовательность схематично изображена на иллюстрации.

Пожалуй, важнейшая особенность такой последовательности экспериментально продемонстрированных реакций состоит в том, что передовые исследования заставляют отказаться от концепции «первичного бульона» в пользу поэтапного процесса, в ходе которого промежуточные продукты стабилизируются в растворе и очищаются кристаллизацией. Эти кристаллические промежуточные продукты, в сущности, органические минералы, могут накапливаться со временем и либо уничтожаются, либо вступают в реакцию на следующем этапе пути.

Возникает очевидный вопрос: какова вероятность, что при правильных условиях все эти реакции произойдут в природе в правильном порядке и дадут окончательный результат – биологический строительный материал? Ответить на этот вопрос, опираясь только на химию, трудно, если вообще возможно. И в самом деле, есть вероятность, что самый трудный, то есть самый медленный, этап зарождения жизни – это и есть производство и накопление запасов нужных компонентов, которые затем должны прореагировать в нужном порядке, чтобы получились биологически релевантные продукты. Внести ясность отчасти помогут астрономические поиски внеземной жизни, если, например, окажется, что жизнь в нашей Галактике – явление нередкое.

Создать два из четырех нуклеозидов РНК, мягко говоря, недостаточно, чтобы сконструировать живую протоклетку. Сам по себе успех создания Ц и У (пиримидиновых нуклеозидов) вызывает вопрос: как же быть с остальными, пуриновыми нуклеозидами А и Г? Было исследовано много новых идей, но ясного ответа пока не видно. Другой важный вопрос – как подсоединить к нуклеозидам фосфат, чтобы получить нуклеотиды, то есть настоящие звенья цепочки РНК. Это другая область, где предстоит еще многого достигнуть. Сложность в том, как прикрепить фосфат к нуклеозиду в нужном месте (это называется фосфорилирование): на сахаре-рибозе три гидроксильные группы (-OH), и в принципе любая из них может быть подвергнута фосфорилированию. Большинство методов, позволяющих добиться нужного фосфорилирования, довольно грубы и неспецифичны, то есть фосфаты добавляются к любой группе или ко всем трем, что дает смесь веществ. В живой материи у нуклеотидов, составляющих РНК и ДНК, фосфат всегда крепится к конкретной – OH группе (торчащей вверх и в сторону от остальной молекулы сахара), но, как ни досадно, с химической точки зрения, по-видимому, проще прицепить фосфаты к двум другим гидроксильным группам, что также приводит к возможности циклизации (образованию циклического рибозофосфата, а именно 2’-3’-цикло-рибозофосфата). Любопытно, что это тот же самый продукт, который образуется при гидролизе РНК. Возможно, такие нуклеотиды или короткие цепочки нуклеотидов с концевым циклическим фосфатом и есть настоящие первичные «кирпичики» РНК, а то фосфорилирование, которое мы наблюдаем в современной биологии, – это более позднее «изобретение» эволюции. Такая идея соответствует тому, что подобные короткие цепочки могут собираться на матрице (когда одна цепочка служит «формой» для другой), чтобы давать более длинные цепочки-продукты.

С другой стороны, низкая скорость и продуктивность таких реакций сборки могут быть с тем же успехом послужить доказательством того, что этот процесс не может участвовать в синтезе РНК. Да, матричное копирование нуклеотидами (или короткими цепочками) с активированным фосфатом в нужной позиции идет гораздо быстрее и продуктивнее. Одна из первых попыток нацелить фосфорилирование на нужную позицию предполагала присутствие бората (соли борной кислоты), которая создает комплексы с остальными двумя гидроксильными группами и не позволяет им подвергнуться фосфорилированию. Это и правда помогает, но недоступность достаточных количеств бората на ранней Земле, где создавались нуклеотиды, делает такую гипотезу очень спорной. Можно ли найти какой-то другой способ произвести фосфорилирование мягче и прицельнее, пока неясно, но поиски такого способа, безусловно, входят в число неотложных задач в рассматриваемой области.

Как мы видели, получение строительного материала для РНК в лаборатории сопряжено с множеством трудностей. Тем не менее дотошность и творческий подход в сочетании с обширной экспериментальной работой позволили преодолеть многие из этих трудностей (но не все). Но это только начало. Прежде чем мы сможем сказать, что поняли, как возникла жизнь, нам нужно получить в ходе экспериментов еще много других компонентов живой клетки.

Приложение. Химические реакции и структуры химических веществ

В этом Приложении приведены схемы химических реакций, показывающие, как из относительно простых исходных материалов собрать кирпичики, из которых состоит РНК, как было описано в тексте.

Как читать схемы химических реакций

Химические структуры принято рисовать в упрощенном виде, расшифровать который поначалу трудно. Однако правила составления таких схем совсем несложны. Черточки – это связи между соседними атомами. Одинарная черточка – одинарная связь, двойная черточка – двойная связь, а тройная черточка – тройная связь. Пока что все очевидно. Немного менее понятно правило, согласно которому атомы углерода редко обозначаются буквой С: считается, что любая точка, где встречаются две связи, – это атом углерода. Что касается атомов водорода, мы их вообще никак не помечаем, и это нормально: всегда можно понять, где находятся атомы водорода, так как атом углерода создает ровно четыре связи. Например, вершина, где встречаются одинарная и двойная черта, – это атом углерода, у которого обозначены три связи, а значит, оставшаяся четвертая подразумевает наличие атома водорода. Иногда это чуть-чуть сложнее, как в случае структуры цианацетилена на первой схеме ниже. Цианацетилен изображен как линейная молекула, поскольку это и правда линейная молекула. Здесь вы видите две тройные связи: вверху молекулы та часть, которая дает «циан» – атом углерода, связанный тройной связью с атомом азота, а внизу – ацетиленовая часть, два атома углерода, связанные тройной связью. Эти две части соединены одинарной связью. Таким образом, три атома углерода в середине молекулы не нарисованы в явном виде, но на них указывают соединения тройных и одинарных связей.

1. Синтез азотистого основания Ц, оно же цитозин

Две молекулы исходных материалов – цианацетилен слева и цианамид справа – состоят из углерода, азота и водорода. Обе реагируют с водой и дают гидратированные производные – цианацетальдегид слева и мочевину справа. Эти два вещества могут соединяться и образовывать цитозин, азотистое основание, входящее в состав нуклеозида цитидина. В овале слева вверху вы видите атомы из цианацетилена, в овале справа внизу – атомы из мочевины.

2. Синтез РАО

Сахар рибоза реагирует с исходным цианамидом и образует главное промежуточное вещество в синтезе нуклеотидов – РАО, рибоаминооксазолин.

3. Синтез α-цитидина

РАО (слева) реагирует с цианацетиленом (справа от РАО) и дает α-ангидроцитидин (в центре), который гидролизуется в воде, и получается α-аномер цитидина (справа).

4. Синтез 2-аминооксазола

Гликольальдегид + цианамид реагируют и дают 2-аминооксазол (2AO).

5. Другой способ получить РАО

Глицеральдегид + 2AO реагируют и дают смесь РАО и ААО, а также другие изомеры, которые на схеме не показаны.

6. Способ получить рибоЦ из араЦ

Ангидро-араЦ с фосфорилированной 3’-OH группой превращается в рибоЦ с 2’-3’-циклическим фосфатом.

7. Синтез гликолонитрила

Две исходные реакционноспособные молекулы, формальдегид и циановодород, реагируют друг с другом и дают гликолонитрил. Много лет эта относительно инертная молекула считалась тупиковым продуктом, которого следует избегать любой ценой.

8. Превращение гликолонитрила в простейший сахар – гликольальдегид

9. Изомеризация сахара глицеральдегида в дигидроксиацетон

10. 2АО и его близкие родственники 2АТ и 2АИ

2АО – это 2-аминооксазол. Азол – это пятичленный цикл, содержащий атом азота (аза-). Оксазол – это пятичленный цикл, содержащий атом азота и атом кислорода, отсюда и название «оксазол».

2АТ – это 2-аминотиазол. Тиазол – это пятичленный цикл, содержащий атом серы (тиа-) и атом азота, отсюда и название «тиазол».

2АИ – это 2-аминоимидазол (или, точнее, 2-амино-1,3-имидазол). Имидазол – это пятичленный цикл, содержащий два атома азота.

11. Синтез CV-DCI

Дицианоимидазол и цианацетилен реагируют и образуют промежуточный продукт CV-DCI, он же циановинил-дицианоимидазол. CV-DCI кристаллизуется в виде плоских кристаллов, и его можно считать стабильной формой хранения или запасом цианацетилена.

Глава 4. Аминокислоты и пептиды

Одно из самых поразительных обобщений в биохимии, о котором, как ни удивительно, почти не упоминается в учебниках по биохимии, состоит в том, что двадцать аминокислот и четыре азотистых основания с минимальными оговорками одинаковы во всей Природе.

Фрэнсис Крик, Нобелевская лекция

Любые попытки выяснить, как зародилась жизнь на Земле, предполагают поиск химического пути, который приводит к выработке белков. Белки с ферментной активностью катализируют самые разные метаболические реакции, необходимые для синтеза материалов на строительство новых клеток. Вдобавок белки, собирающиеся в волокна, контролируют форму клеток и такие динамические процессы, как движение и деление клеток. Все эти белки создаются в результате сложного процесса трансляции: клеточная машина, известная как рибосома, транслирует (т. е. переводит) генетическую информацию из матричных РНК, то есть из длинных цепочек нуклеотидов, в белки, то есть упорядоченные цепочки аминокислот. Такую задачу трансляции позволяет решить генетический код, который сопоставляет последовательности кодонов РНК последовательностям аминокислот. Этот процесс настолько сложен, что при зарождении жизни еще не мог идти полным ходом, однако первые зачатки этой процедуры, вероятно, отражены в химии синтеза аминокислот – в химических реакциях, которые приводят к выработке пептидов (коротких цепочек аминокислот), а в итоге и в тех чудесных химических превращениях, которые связывают аминокислоты с РНК. Начнем с начала и рассмотрим, какие химические пути приводят к появлению аминокислот.

Первым делом мы рассмотрим знаменитый революционный эксперимент и подробно разберем его, поскольку это подскажет нам, как реалистично реконструировать пути аминокислотного синтеза на молодой Земле. В 1952 году химик Стэнли Миллер, тогда еще аспирант, под руководством нобелевского лауреата Харолда Юри придумал и провел в Чикагском университете эксперимент с целью исследовать, какие условия могли существовать на ранней Земле. В результате обнаружилось, что при электрическом разряде в искусственной «атмосфере» из водорода, метана, аммиака и воды происходит синтез двух аминокислот, и для того времени это было открытие колоссальной важности. Когда мы поняли, что аминокислоты, без которых немыслима жизнь, главный строительный материал белков, можно производить таким простым способом, это потрясло химический мир и вдохновило ученых на десятилетия исследований. Кстати, Юри благородно заявил, что этот эксперимент – исключительная заслуга Миллера. Часто говорят, что эксперимент Миллера – Юри продемонстрировал механизм синтеза аминокислот, что не совсем правда. На самом деле в результате реакции были получены так называемые α-аминонитрилы, близкие родственники α-аминокислот (с той поправкой, что вместо кислотной карбоксильной группы к центральному α-углероду присоединена нитрильная группа). Само по себе это не страшно, так как нитрилы медленно гидролизуются в воде и превращаются в карбоксилаты (соединения с карбоксильной группой). Эта реакция гидролиза существенно ускоряется в присутствии сильных кислот, и именно их Миллер и добавил, чтобы добыть аминокислоты из их предшественников-нитрилов. Более того, сульфид, которого много в вулканических регионах, тоже может ускорять гидролиз нитрилов и их превращение в карбоксильные кислоты, но при этом получается более реакционноспособный промежуточный продукт. Это значит, что превращение α-аминонитрилов в аминокислоты, либо быстрое, либо медленное, в зависимости от конкретных химических условий, было обычным явлением на ранней Земле.

Суть вот в чем. Если мы хотим понять, как могут создаваться аминокислоты, нам нужно прежде всего разобраться, как получить α-аминонитрилы. Самый простой способ открыл в середине XIX века немецкий химик Адольф Штреккер. Он показал, что α-аминонитрилы вырабатываются при смешивании альдегидов (молекул с группой C=O) с циановодородом и аммиаком. Эта реакция, известная как реакция Штреккера, хорошо известна и широко применяется. Здесь главное отметить, что нам сразу видна связь между синтезом предшественников аминокислот и предшественников нуклеотидов, поскольку и там и там идут реакции альдегидов с циановодородом.

Как мы уже видели, когда циановодород атакует альдегиды в воде, получается циангидрин. Далее восстановление группы – CN (например, гидратированным электроном) до альдегидной группы[21] дает сахар, а из простых сахаров затем формируются нуклеотиды. Более того, при небольших вариациях на ту же тему, когда циановодород атакует альдегид в присутствии аммиака, получается α-аминонитрил, а в этом случае гидролиз нитрила дает аминокислоту. А конкретнее формальдегид, циановодород и аммиак совместно дают нитрил глицина, α-аминонитрил, соответствующий аминокислоте глицину. Поразительная связь между синтезом нуклеотидов и аминокислот – важное свидетельство, что все строительные материалы биологии могли синтезироваться одновременно в похожих условиях, возможно, даже по соседству!

Теперь, когда мы проследили химические истоки аминокислот через α-аминонитрилы к альдегидам, мы можем сказать, что цель поисков предбиологических путей к аминокислотам – пути к соответствующим альдегидам. Для некоторых простейших аминокислот это вполне очевидно. Например, самый простой в производстве альдегидов (и поэтому, скорее всего, самый распространенный) – одноуглеродный формальдегид. Как мы уже знаем, формальдегид реагирует с циановодородом и дает простейший циангидрин – гликолонитрил. В присутствии аммиака создается нитрил глицина, который, в свою очередь, гидролизуется и дает самую простую аминокислоту – глицин.

Отвлечемся на забавную этимологию: глиц- и глик- в названиях этой группы соединений происходят от глико, сахар, и отражают сладковатый вкус глицина и других веществ. Поскольку глицин – самая простая аминокислота, мы бы ожидали, что в предбиологических условиях он и встречался чаще остальных аминокислот. Однако для изготовления более интересных пептидов нам понадобится кое-что, помимо глицина. Легко видеть, откуда взялись две другие аминокислоты – серин и аланин. Серин получается непосредственно из двухуглеродного сахара гликольальдегида, с которым мы сталкивались в главе 3, в ходе синтеза Штреккера: циановодород реагирует с аммиаком, после чего происходит гидролиз нитрила в карбоксильную кислотную группу. Чтобы получить аланин, нужна еще одна реакция – восстановление гликольальдегида до ацетальдегида. В ходе этой реакции гидроксильная группа гликольальдегида (атом кислорода, связанный с атомом водорода) замещается атомом водорода. Интересно, что эта реакция восстановления обусловлена теми же химическими механизмами, что и восстановление нитрила до альдегида. В обоих случаях гидратированные электроны, полученные при облучении ферроцианида ультрафиолетом (см. главу 3), служат мощными восстановителями, которые запускают аналогичные реакции. Когда таким образом генерируется ацетальдегид, тот же синтез Штреккера дает распространенную аминокислоту аланин.