Як почалося життя? Як хімічні реакції на ранній Землі створили складні самовідтворювані структури, які перетворилися на живі істоти, як ми їх знаємо? Відповідно до однієї школи думки, до нинішньої ери життя на основі ДНК існувала якась молекула під назвою РНК (або рибонуклеїнова кислота). РНК, яка сьогодні все ще є ключовим компонентом життя, може самовідтворюватися та каталізувати інші хімічні реакції.
Але самі молекули РНК складаються з менших компонентів, які називаються рибонуклеотидами. Як ці будівельні блоки сформувалися на ранній Землі, а потім об’єдналися в РНК? Такі хіміки, як я, намагаються відтворити ланцюг реакцій, необхідних для утворення РНК на зорі життя, але це складне завдання. Ми знаємо, що будь-яка хімічна реакція, що призвела до створення рибонуклеотидів, могла відбуватися в безладному, складному середовищі, яке було на нашій планеті мільярди років тому.
Я вивчав, чи могли відіграти роль «автокаталітичні» реакції. Це реакції, в результаті яких утворюються хімічні речовини, які спонукають такою ж реакції, що означає, що вони можуть підтримуватися в широкому діапазоні обставин. У нашій останній роботі ми з колегами інтегрували автокаталіз у добре відомий хімічний шлях виробництва рибонуклеотидних будівельних блоків, що, ймовірно, могло статися з простими молекулами та складними умовами, які були на ранній Землі.
Формозна реакція
Автокаталітичні реакції відіграють вирішальну роль у біології, від регуляції серцебиття до формування візерунків на черепашках. Насправді реплікація самого життя, коли одна клітина отримує поживні речовини та енергію з навколишнього середовища для виробництва двох клітин, є особливо складним прикладом автокаталізу.
Хімічна реакція під назвою формозна реакція, вперше відкрита в 1861 році, є одним із найкращих прикладів автокаталітичної реакції, яка могла статися на ранній Землі.
По суті, реакція формози починається з однієї молекули простої сполуки під назвою гліколевий альдегід (що складається з водню, вуглецю та кисню) і закінчується двома. Механізм базується на постійному надходженні іншої простої сполуки під назвою формальдегід. Реакція між гліколевим альдегідом і формальдегідом створює більшу молекулу, відщеплюючи фрагменти, які повертаються в реакцію та підтримують її. Однак, коли формальдегід закінчується, реакція припиняється, і продукти починають розкладатися зі складних молекул цукру на смолу.
Формозна реакція має деякі спільні інгредієнти з добре відомим хімічним шляхом утворення рибонуклеотидів, відомим як шлях Паунер-Сазерленда. Однак до цього часу ніхто не намагався пов’язати ці два — з поважної причини. Формозна реакція відома своєю «невибірковістю». Це означає, що він виробляє багато непотрібних молекул поряд із реальними продуктами, які вам потрібні.
Автокаталітичний поворот на шляху до рибонуклеотидів
У нашому дослідженні ми спробували додати ще одну просту молекулу під назвою ціанамід до реакції формози. Це дає можливість деяким молекулам, які утворилися під час реакції, «викачувати» для отримання рибонуклеотидів. Реакція все ще не виробляє великої кількості рибонуклеотидних будівельних блоків. Однак ті, які він виробляє, є більш стабільними та менш схильні до деградації.
Цікавим у нашому дослідженні є інтеграція формизної реакції та виробництва рибонуклеотидів. Попередні дослідження вивчали кожен окремо, що відображає те, як хіміки зазвичай думають про створення молекул.
Взагалі кажучи, хіміки прагнуть уникати складності, щоб максимізувати кількість і чистоту продукту. Однак цей редукціоністський підхід може завадити нам досліджувати динамічні взаємодії між різними хімічними шляхами. Ці взаємодії, які відбуваються всюди в реальному світі за межами лабораторії, є, мабуть, мостом між хімією та біологією.
Промислове застосування
Автокаталіз також має промислове застосування. Коли ви додаєте ціанамід у реакцію формози, ще одним продуктом є сполука під назвою 2-амінооксазол, яка використовується в хімічних дослідженнях і виробництві багатьох фармацевтичних препаратів.
Звичайне виробництво 2-амінооксазолу часто використовує ціанамід і гліколевий альдегід, останній з яких є дорогим. Якщо це можна зробити за допомогою формозної реакції, для запуску реакції знадобиться лише невелика кількість гліколевого альдегіду, що скоротить витрати.
Зараз наша лабораторія оптимізує цю процедуру в надії, що ми зможемо маніпулювати автокаталітичною реакцією, щоб зробити звичайні хімічні реакції дешевшими та ефективнішими, а їхні фармацевтичні продукти доступнішими. Можливо, це не буде такою великою справою, як створення самого життя, але ми вважаємо, що воно все одно може бути варте уваги. Джерело