Происхождение жизни: гомохиральность с минералами?

Aug 07, 2023

Это задача, имеющая решающее значение для исследований происхождения жизни. Среди многих препятствий на пути создания биологически значимых полимеров абиотическим путем достижение гомохиральности, пожалуй, является самым трудным для преодоления препятствием. Что такое гомохиральность? Что ж, все макромолекулы в жизни состоят из строительных блоков, которые существуют как зеркальные отражения. Для передачи этого химического понятия чаще всего используется аналогия левой и правой рук. За очень немногими исключениями, жизнь использует только одну из этих форм.

Химические свойства зеркально отображенных соединений эквивалентны для всех практических целей. Поэтому ожидается, что производство этих строительных блоков в пребиотическом мире с использованием очень простых соединений в качестве исходного материала приведет к получению рацемической смеси или распределения 50/50 этих строительных блоков. Это уже подтверждено анализом органических соединений, добытых с астероида, о чем я писал здесь еще в мае.

Получение из этой смеси полимеров, состоящих только из одной конфигурации, является обязательным, если необходимо убедительно объяснить научному сообществу пребиотическое происхождение жизни на Земле. Предложение химических схем, которые производят полипептиды (белки) или РНК с использованием гомохиральных строительных блоков, является текущей задачей. Проделать такой подвиг в растворе кажется невозможным, поэтому многие ученые, изучающие происхождение жизни (OOL), отказались от подхода, основанного на пребиотическом супе. Лучшей альтернативой, широко исследованной, является использование минеральных поверхностей, на которых адсорбция органических химикатов теоретически могла бы выбрать преимущественно одну конфигурацию пары хиральных молекул.

Здесь я кратко обсужу этот экспериментальный подход, отметив, к чему привели соответствующие исследования. Сначала я рассмотрю полимеризацию аминокислот с образованием белков, а затем попытаюсь добиться этого с помощью предшественников РНК.

Среди исследований, показывающих эффективность получения коротких отрезков аминокислот для образования олигопептидов, одно из первых было опубликовано в 1978 году (Lahav N., White D. и Chang S. (1978) Science 201: 67-69). Для облегчения реакции конденсации с образованием пептидных связей между аминокислотами использовалась система с использованием глинистых минералов (каолинита и бентонита). Были задействованы повторяющиеся циклы нагрева, испарения и регидратации, которые, вероятно, присутствуют на пребиотической Земле. Было обнаружено, что при использовании простейшей аминокислоты, глицина (не имеющего хирального центра), диглицин вырабатывается на низких уровнях с постепенно меньшими количествами вплоть до длины пентапептида. Примечательно, что фаза нагревания-сушки в этом цикле, по-видимому, облегчает реакцию конденсации, обеспечивая образование пептидных связей.

Это было начало, но до производства полипептидов, имеющих какое-либо биологическое значение, еще было далеко. Маленькие белки должны содержать как минимум 100-200 аминокислот, чтобы эффективно способствовать биологической функции. После этого первоначального проблеска надежды многие другие лаборатории предприняли аналогичные подходы, проверяя различные минеральные поверхности и различные условия реакции. Наиболее успешным удалось получить полипептиды вплоть до декамеров. В результате этих исследований стало ясно, что чем дольше образуется полипептид, тем труднее его извлечь с поверхности минерала, поскольку он прочно связан посредством множества сил химической связи, распределенных по длинной цепи аминокислот. Успех в создании длинных полипептидов, по-видимому, обрекает полимер оставаться прикрепленным к поверхности, а не выделяться в раствор, как это необходимо для жизни.

Основным недостатком описанных выше исследований является то, что они не пытались объяснить, как гомохиральная селективность может быть обеспечена этим путем. Синтез полипептидов с рацемической смесью аминокислот не дает пребиотической жизни ничего с точки зрения функциональности. Чтобы белки приобрели специфическую и воспроизводимую структуру, необходимо использовать гомохиральный набор аминокислот. Имея в виду эту цель, одна лаборатория сообщила, что энантиомерные пары аспарагиновой кислоты преимущественно адсорбируются на противоположных гранях с зеркальной симметрией кальцита (карбоната кальция). Было высказано предположение, что аспарагиновая кислота, имеющая три функциональные группы (две карбоновые кислоты и одну аминогруппу), гомохирально селективно ориентируется по отношению к экспонированным химическим группам кальцита. Это логически следует из того, что можно объяснить наблюдаемое ~90-процентное хиральное обогащение.