Ученые, кажется, решили главный парадокс «курицы и яйца» в зарождении жизни

В основе всего живого лежит парадокс, достойный лучших философских трактатов. ДНК хранит чертежи для создания белков, а белки, в свою очередь, строят клетку и считывают чертежи ДНК. Это классическая проблема «курицы и яйца»: что появилось первым? Как могла возникнуть сложная система, где каждый элемент зависит от другого, уже существующего? Кажется, учёные из Университетского колледжа Лондона нащупали химическую тропинку, которая могла вывести древнюю жизнь из этого логического тупика.

Центральная загадка рибосомы

Представьте себе гигантскую автоматизированную фабрику. В её архиве (ДНК) лежат чертежи всех станков и продуктов. Роботы-строители (белки) снуют по цехам, собирая новые станки по этим чертежам. Но вот загвоздка: чтобы построить самого первого робота, нужен уже работающий робот, который прочтёт его чертёж. Как запустить такую фабрику с нуля?

Примерно так и выглядит клеточный механизм синтеза белка. Роль чертежей выполняют молекулы РНК, скопированные с ДНК. Роль фабрики — рибосома, которая движется по РНК и собирает белковую цепочку. А в качестве «кирпичиков» выступают аминокислоты. Но аминокислоты не могут просто так прийти на стройку. Их должны доставить специальные «молекулы-грузовики» — транспортные РНК (тРНК).

И здесь кроется самая суть парадокса. Чтобы «погрузить» нужную аминокислоту на нужный «грузовик» (тРНК), клетка использует сложнейшие ферменты — аминоацил-тРНК-синтетазы. Эти ферменты — сами по себе огромные и хитро устроенные белки. Получается, для создания белков нужны белки. Круг замкнулся. Десятилетиями учёные бились над вопросом: как природа сделала первый шаг, не имея этого сложнейшего инструментария?

Химический обходной путь в первичном бульоне

Лондонская команда исследователей под руководством Мэтью Паунера решила пойти другим путём. Вместо того чтобы пытаться упростить существующие биологические механизмы, они задались вопросом: а могла ли химия сама, без ферментов, выполнить эту работу в условиях молодой Земли? Их внимание привлёк скромный, но крайне важный класс соединений — тиоэфиры.

Что это такое? Говоря просто, тиоэфир — это аминокислота, к которой присоединён хвост из серы. Этот хвост делает аминокислоту химически «активированной» — как будто слегка взведённой пружиной. Она готова вступить в реакцию, но не настолько агрессивно, чтобы начать взаимодействовать со всем подряд. И, как оказалось, в этой сдержанности и кроется ключ к разгадке.

Элегантность тиоэфиров: загрузить, но не строить

Исследователи обнаружили поистине удивительное свойство этих молекул. Попадая в водный раствор вместе с РНК, тиоэфиры делают ровно то, что нужно, и ничего лишнего.

Во-первых, они избирательно присоединяют свою аминокислоту к правильному месту на молекуле РНК — так называемой 2', 3'-диоловой группе на её конце. Это именно то место, куда современные ферменты «грузят» аминокислоты.

А теперь самое интересное. Главная проблема всех предыдущих попыток имитировать этот процесс заключалась в том, что активированные аминокислоты тут же начинали соединяться друг с другом, образуя хаотичную белковую «кашу».

Тиоэфиры же ведут себя иначе. Они эффективно «загружают» РНК, но при этом практически не реагируют друг с другом. Они разделяют два ключевых этапа: подготовку строительных блоков и саму стройку. Это фундаментальный принцип, позволяющий перейти от хаоса к упорядоченному синтезу. Более того, процесс шёл ещё лучше, когда РНК была в форме двойной спирали. Такая структура, похожая на ДНК, элегантно защищает внутренние части молекулы, оставляя открытым для реакции лишь нужный 3'-конец. Это выглядит уже не как случайная химия, а как протобиологическая система.

Переключатель: от загрузки к сборке

Хорошо, мы научились загружать «грузовики» аминокислотами. Но как заставить их выстроиться в цепочку и создать белок? Здесь учёные открыли вторую часть механизма — своего рода химический «выключатель».

Оказалось, что если в эту же систему добавить немного другое соединение, тиокислоту, то реакция кардинально меняется. Аминокислоты, уже сидящие на своих РНК-носителях, начинают активно соединяться друг с другом, образуя пептидные связи — основу любого белка.

Только вдумайтесь: одна группа молекул (тиоэфиры) отвечает за первый шаг — загрузку. Другая, очень похожая (тиокислоты), — за второй шаг, сборку. И всё это в воде, при нейтральном pH, без сложных ферментов. По сути, учёные продемонстрировали, как можно химически управлять двумя основными стадиями синтеза белка. Это уже не просто реакция, а настоящий двухэтапный процесс, управляемый простыми химическими законами.

Из первичного бульона — в строительные блоки

Конечно, скептик спросит: а откуда эти тиоэфиры могли взяться на безжизненной Земле? Исследователи предусмотрели и этот вопрос. Они показали, что эти ключевые молекулы могут образовываться из ещё более простых предшественников — амино-нитрилов — в условиях, имитирующих замерзающие содовые озёра. Такие озёра, богатые фосфатами, считаются одним из вероятных «колыбелей жизни». Замораживание воды концентрирует реагенты, а фосфаты помогают реакции, создавая идеальные условия для синтеза тиоэфиров.

Взгляд на первую «фабрику» жизни

Работа команды Паунера — это не окончательный ответ на вопрос о происхождении жизни. Но это один из самых убедительных и элегантных сценариев, объясняющих, как мог зародиться её центральный механизм. Он показывает, что для запуска сложнейшего биологического процесса не обязательно требовались уже существующие сложные молекулы.

Простые законы химии, заложенные в свойствах соединений серы, могли создать систему, которая:

1. Упорядочивала хаос, избирательно готовя строительные блоки.
2. Разделяла процесс на два этапа, предотвращая образование «мусора».
3. Управлялась простым химическим «переключателем».

Эта работа даёт нам возможность заглянуть на «сборочный цех» самой первой фабрики жизни, где ещё не было ни роботов, ни сложных станков, но простые химические реакции уже прокладывали путь к первому белку. И, возможно, именно в этом переходе от хаотичной химии к упорядоченному, двухэтапному процессу и кроется тот самый неуловимый момент зарождения жизни.