Buch lesen: "Код жизни. Как случайность стала биологией", Seite 13
Построение нуклеотидов
Однако при более пристальном рассмотрении становится виден целый ряд сложностей, которые необходимо преодолеть, прежде чем мы сможем заключить, что нашли реалистичный путь к созданию нуклеотидов. Чтобы показать, какого рода эти сложности, рассмотрим для примера две из них. Во-первых, эти двухуглеродные и трехуглеродные сахара реакционноспособны, а особенно сложно бывает с глицеральдегидом, так как он претерпевает спонтанную перегруппировку (так называемую реакцию изомеризации) изальдегида (где группа C=O находится на конце углеродной цепочки) в кетон (где C=O расположена в середине молекулы). У такой перегруппировки есть один неприятный результат: если предоставить раствор глицеральдегида самому себе, более 99,9 % этого сахара превратится в кетон, который не станет принимать участия в синтезе нашего драгоценного кристаллического промежуточного продукта РАО. А значит, исследователям нужно было открыть какой-то способ стабилизировать эти двух- и трехуглеродные сахара, чтобы они могли накапливаться в больших концентрациях, не образуя нежелательные побочные продукты.
К счастью, оказалось, что таких способов существует по крайней мере два. Первый невероятно прост. Атмосферный SO2 растворяется в воде, особенно слабощелочной, образуя бисульфит, который приходит на помощь, реагируя с альдегидами (в том числе и с нашими простыми сахарами), в результате чего получаются стабильные комплексы. Более того, эта реакция обратима, то есть добавочные бисульфитные продукты могут накапливаться, однако свободный сахар может медленно выделяться, обеспечивая протекание желаемых реакций.
Любопытно, что есть и второй, пусть и более сложный, способ стабилизировать сахара, чтобы они образовывали устойчивые запасы. Этот метод был открыт в лаборатории химика Мэтью Паунера в Университетском колледже в Лондоне и тоже задействует серосодержащие реагенты. В этом случае главная молекула – серосодержащий аналог 2AO (предшественника нуклеотидов), который мы будем называть 2АТ. Оказалось, что 2АТ реагирует с нашими простыми сахарами, создавая стабильные комплексы, причем, что восхитительно, кристаллические. В смеси сахаров 2АТ реагирует быстрее всего с двухуглеродным сахаром гликольальдегидом, так что из раствора осаждается слой кристаллов продукта реакции. Затем 2АТ реагирует с глицеральдегидом и создает второй слой кристаллов. 2АТ возвращает в строй даже нежелательный кетоновый изомер глицеральдегида, так как этот изомер медленно превращается обратно в глицеральдегид, который после этого выводится из раствора под воздействием кристаллического 2АТ. Который из этих двух способов кристаллизовать сахара – «настоящий»? Что на самом деле происходило на молодой Земле? У каждого из них свои преимущества: процесс с участием бисульфита проще, зато процесс с участием 2АТ приносит дополнительную пользу, физически разделяя запасы двухуглеродного и трехуглеродного сахаров. Насколько необходимо такое разделение, еще предстоит выяснить.
Итак, мы придумали, как удерживать наши сахара, двухуглеродный и трехуглеродный, в стабильной форме, либо в растворе, либо в кристаллических запасах. Теперь встает вопрос, что происходило дальше. Как мы уже обсудили, гликольальдегид реагирует с азотсодержащим соединением цианамидом, что дает относительно стабильный промежуточный продукт, который мы назвали 2AO. 2AO реагирует либо с другой молекулой гликольальдегида, либо с молекулой глицеральдегида. Эти реакции порождают некоторый беспорядок, поскольку реакция со вторым гликольальдегидом дает два продукта, а реакция с глицеральдегидом – целых четыре, и только один из них – наш любимый промежуточный продукт РАО. Из этих шести продуктов только РАО кристаллизуется из раствора, поэтому остальные пять побочных продуктов вымываются и остается запас чистого РАО. Отметим, что история о кристаллизации РАО интересна и по другой причине: в ней есть неожиданный поворот (почти буквальный), так как эти кристаллы особым образом формируются на магнитной поверхности, и это даже может объяснить, почему только одна из двух (левой и правой) зеркальных форм нуклеотидов подходит для создания живой материи в известном нам виде.
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!
