Новости химической науки > Имеет ли глина отношение к появлению жизни на Земле?

Профессор Дон Фрейзер (Don Fraser) с помощью метода нейтронного рассеивания пытается выяснить роль геохимии в происхождении левозакрученных протеиногенных аминокислот (S-оптических изомеров аминокислот) – строительных блоков, из которых состоят молекулы белков.

Биохимические процессы в живой ткани основаны на работе лево- и правозакрученных рецепторов белковой и иной природы, которые дают различный отклик на различные оптические изомеры биологически активных веществ. Обонятельные рецепторы нашего носа достаточно легко различают две молекулы, являющиеся зеркальными изомерами, идентифицируя их в виде различных запахов. Так, R-карвон пахнет мятой, а S-карвон – тмином.

Зачастую «неправильный» оптический изомер фармакологически активного вещества может являться причиной значительных побочных эффектов (самый печальный пример в истории фармацевтики – талидомид, который даже при введении в организм в форме R-изомера в физиологических условиях существует в виде равновесной смеси R- и S-форм).

Еще в конце 19-го века гипотеза абиогенного происхождения жизни из «маленького теплого пруда, содержащего все необходимые элементы для жизни» была предложена Томасом Генри Хаксли и Чарльзом Дарвином. Более детально гипотеза биогенеза строительных блоков живой ткани была сформулирована в 1924 году Александром Опариным, предположившим, что основой жизни мог являться «первичный бульон», состоящий из органических молекул, образовавшихся в первичной атмосфере Земли в отсутствии кислорода и в результате воздействия излучения Солнца и иных факторов.

Гипотеза Опарина фактически была подтверждена экспериментами Стенли Миллера (Stanley Miller), сообщавшего об образовании биологически активных молекул, включая аминокислоты, в условиях, моделировавших условия атмосферы и климата примордиальной Земли, однако в экспериментах Миллера аминокислоты образовывались в виде рацемической смеси, преимущественное содержание входящих в состав живой ткани современных живых организмов S-аминокислот не наблюдалось.

Слои глины по-разному взаимодействуют с S- и R-гистидином. (Рисунок из Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 825; DOI: 10.1039/C0CP01387K)

Развивая гипотезы Опарина и Миллера, кристаллограф Джон Бернал (John Bernal) высказал предположение, что поверхность глины могла быть зоной концентрирования простейших биологически активных молекул, где они могли вступать в дальнейшие реакции, приводящие к усложнению их структуры. В недавние годы глина вновь стала привлекать внимание специалистов по происхождению жизни – Джеймс Феррис (James Ferris) продемонстрировал, что глина могла выступать в роли катализатора для образования длинных цепей РНК, которые наряду с белками и ДНК являются важнейшими строительными блоками живой материи.

Фрейзер решил изучить особенности взаимодействия глины с аминокислотами, чтобы понять, почему все аминокислоты, входящие в состав белков, представляют собой S-изомеры. Исследователь заместил катионы, входящие в состав природной глины, на менее прочно взаимодействующие с анионами органические катионы, что позволило увеличить расстояние между слоями глины и получить исключительно чувствительную систему из глины, между слоями которой могли свободно размещаться S- и R-изомеры аминокислоты гистидина.

Было обнаружено, что, как и в случае абиотического синтеза молекул РНК, S- и R-гистидин по-разному реагируют со слоями глины, эти слои абиотически способны распознавать один из оптических изомеров аминокислоты. Эксперименты Фрейзера являются первым подтверждением распознавания различных оптических аминокислот, протекающего вне живых систем на поверхности геологических пород.

Фрейзер подчеркивает, что важным результатом его исследований является то, что узкий (около 5 нм) промежуток между слоями глины является важным регионом, в котором протекают динамические процессы, важные для проведения исследований, касающихся добиотической истории Земли, образования нуклеиновых кислот и S-аминокислот.

Ранее в группе Джека Шостака (Jack Szostak) также было показано, что глины могли играть роль в образовании жирных кислот – материалов для клеточных мембран. Не менее интересно и то, что поведение глин отличается такой же, как это было обнаружено в исследованиях Фрейзера, селективностью по отношению к органическим веществам, «работая» и в космическом пространстве.

Аминокислоты, содержащиеся в Марчизонском (Murchison) и Оркейльском (Orgueil) метеоритах обогащены S-изомерами аминокислот, что согласуется с содержанием гидратированных глиняных пород в этих хондритах, возраст которых составляет 4.55 миллиарда лет. Вывод о преимущественном содержании S-аминокислот был сделан на основании содержания изовалина, который не встречается в биологических системах Земли, и поэтому большее содержание S-аминокислоты в метеоритах не может являться следствием их загрязнения аминокислотами уже на Земле.

В долгосрочной перспективе результаты работы Фрейзера могут оказаться важными не только для решения фундаментальной проблемы ответа на вопрос о происхождении жизни, но и найти практическое применение. Фрейзер предполагает, что результаты его исследований лечь в основу способов разработки минеральных поверхностей, способствующих стереоселективному синтезу фармакологически активных соединений.

Источник: Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 825; DOI: 10.1039/C0CP01387K

метки статьи: #биохимия, #геохимия, #органическая химия, #химическая технология, #химия полимеров