Відкриття вчених зі Scripps Research та Технологічного інституту Джорджії може пролити світло на еволюцію життя на Землі та відкрити шлях до ефективнішого виробництва біопалива. Давня Земля була нестабільним і негостинним місцем, позначеним екстремальними температурами, активною вулканічною діяльністю та тонкою примітивною атмосферою. Проте саме в цих умовах якимось чином виникли базові молекулярні компоненти життя, такі як цукри, амінокислоти та нуклеотиди. Існує давня гіпотеза, згідно з якою рибоза — цукор, що формує структурний кістяк РНК — виникла спонтанно в результаті хімічної реакції. Але нове дослідження ставить цю ідею під сумнів.
У дослідженні, опублікованому в журналі Chem, вчені зі Scripps Research та Технологічного інституту Джорджії поставили під сумнів обґрунтованість гіпотези «формозної реакції». Ця гіпотеза передбачає, що прості молекули формальдегіду за умов первісної Землі реагували між собою з утворенням рибози. Однак нові результати показують ключове обмеження: за контрольованих експериментальних умов формозна реакція не утворює лінійних цукрів, таких як рибоза. Натомість утворюються переважно розгалужені структури, які не підходять для формування РНК.
Ці результати не лише змінюють уявлення про походження ключових молекул життя, але й можуть вплинути на розвиток синтетичної біології та стратегії виробництва біопалива.
«Концепція формозної реакції як джерела рибози в умовах первісної Землі потребує серйозного перегляду», — каже провідний автор Раманараянан Крішнамурті, професор хімії в Scripps Research. — «Потрібно розглядати інші моделі, якщо ми хочемо зрозуміти, як ці цукри виникли».
Формозну реакцію було відкрито випадково у 1861 році, і вона стала провідною гіпотезою щодо утворення цукрів до біологічного життя. Під час реакції молекули формальдегіду спонтанно й послідовно реагують одна з одною, утворюючи більші молекули: спершу — двовуглецеву, потім — тривуглецеву, і так далі, поки весь формальдегід не буде використаний.
Реакція розпочинається повільно, але згодом прискорюється безконтрольно. Зі збільшенням складності цукрів, суміш змінює колір: від прозорої — до жовтої, коричневої і, зрештою, чорної. «Це майже як карамелізація», — коментує Крішнамурті.
Дослідження контрольованих умов
«Проблема в тому, що ця реакція дуже хаотична. Якщо рибоза і утворюється, то в мізерній кількості, серед тисяч інших сполук», — зазначає Крішнамурті. — «Ми хотіли зрозуміти, чому реакція така складна, і чи можна її контролювати».
Зазвичай формозну реакцію проводять при високих температурах і в сильно лужному середовищі (рН 12 або 13). У цьому дослідженні науковці вирішили протестувати реакцію за м’якших умов: при кімнатній температурі та рН близько 8 — умовах, які, на їхню думку, ближчі до тих, що могли існувати на ранній Землі. Для аналізу продуктів реакції вони використовували спектроскопію ядерного магнітного резонансу (ЯМР) та мічені молекули, відстежуючи суміш упродовж кількох днів.
Результати показали, що реакція можлива і в м’яких умовах, але її результат залишається таким же неконтрольованим.
«Реакційна здатність формальдегіду не дозволяє зупинитися на певному етапі», — каже Крішнамурті. — «Навіть за дуже м’яких умов реакція триває доти, доки весь формальдегід не буде витрачений, що унеможливлює зупинку реакції на етапі утворення проміжних цукрів».
Наслідки для походження життя та промисловості
Дані ЯМР показали, що всі більші молекули цукру мають розгалужену структуру. Оскільки майже всі цукри, які беруть участь у біохімічних процесах, є лінійними, це свідчить про те, що формозна реакція не може пояснити їхнє походження.
«Наші результати ставлять під сумнів формозну реакцію як джерело лінійних цукрів», — зазначає співавтор Чарльз Ліотта, професор-емерит Технологічного інституту Джорджії.
Хоча реакція за м’яких умов не привела до утворення потрібних цукрів для пояснення походження РНК, отримані методи можуть бути корисними для біопаливної промисловості, де розгалужені цукри — бажаний продукт.
«Наше дослідження може стати в пригоді у виробництві біопалива, оскільки ми показали, що за м’якших умов можна чистіше отримувати розгалужені цукри, придатні для зеленого палива», — каже Крішнамурті.
Це не означає, що дослідження формозної реакції як джерела життя завершено. Дослідники сподіваються стимулювати нове мислення в цій галузі.
«Ми просто хотіли вказати на проблеми, які виникають при спробах пояснити походження біотичних цукрів через формозну реакцію. Але це не кінець — можливо, наші результати надихнуть когось на нові рішення», — підсумовує Крішнамурті. — «Ми закликаємо наукову спільноту мислити інакше та шукати альтернативні шляхи для пояснення виникнення цукрових молекул на ранній Землі». Джерело