Венера ближе к жизни, чем мы думали: открыта неожиданная стойкость белковых молекул

Астробиология долгое время исходила из принципа, что поиск внеземной жизни должен быть сосредоточен на планетах с наличием жидкой воды. Вода считается универсальным растворителем, необходимым для протекания химических реакций внутри живых клеток. Планеты с бедной водой или чрезвычайно агрессивной средой автоматически исключались из списка потенциально обитаемых миров.

Венера традиционно относилась к числу наиболее непригодных для жизни небесных тел. Однако исследования ученых из Массачусетского технологического института (MIT) показывают, что сложные органические молекулы способны не только выживать в сернокислотных облаках этой планеты, но и принимать формы, необходимые для выполнения биологических функций.

Физические и химические условия на Венере

Для понимания сути открытия необходимо оценить параметры среды на Венере. Планета обладает плотной атмосферой, состоящей преимущественно из углекислого газа. На поверхности планеты средняя температура составляет около 464 °C, а атмосферное давление достигает 92 бар, что в 92 раза превышает показатель на уровне моря на Земле. При таких значениях существование жидкой воды и сложных органических соединений невозможно.

Однако ситуация меняется с увеличением высоты. На расстоянии от 48 до 60 километров над поверхностью планеты располагается плотный облачный слой. В этой зоне физические параметры существенно мягче:

• Температура находится в диапазоне от 0 °C до 60 °C.
• Давление соответствует земному показателю на уровне моря (около 1 бар).

Главной проблемой этого атмосферного слоя является его химический состав. Облака Венеры состоят из капель серной кислоты с высокой концентрацией — от 96% до 98%. Оставшиеся 2-4% приходятся на воду, которая находится в связанном с кислотой состоянии.

В органической химии концентрированная серная кислота считается чрезвычайно едким веществом. Она активно разрушает большинство органических тканей и сложных углеродных соединений. По этой причине ученые долгое время считали, что любая органика, попавшая в облака Венеры, будет немедленно уничтожена.

Что такое аминокислоты, пептиды и белки

Чтобы разобраться в результатах эксперимента, важно разграничить основные биохимические понятия.

1. Аминокислоты — это относительно простые органические молекулы. Они служат исходным материалом для более сложных биологических соединений.
2. Пептиды — это короткие цепочки, состоящие из нескольких аминокислот, соединенных между собой химическими связями (пептидными связями). Обычно пептидом называют цепь, содержащую от 2 до 50 аминокислот.
3. Белки — это крупные и сложные молекулярные структуры, состоящие из сотен или тысяч аминокислот.

В живых организмах на Земле белки и пептиды выполняют строительные, защитные и каталитические функции (ускоряют химические реакции). Однако сам по себе состав пептидной цепи не обеспечивает выполнение работы. Чтобы пептид или белок мог вступать в химические реакции с другими веществами, цепь аминокислот должна свернуться в определенную трехмерную форму. Этот процесс называется фолдингом или сворачиванием.

Если пространственная форма молекулы нарушается, она теряет способность выполнять свои функции. На Земле процесс сворачивания и поддержания формы пептидов происходит в водной среде.

Суть эксперимента MIT: механический распад и гидролиз

Исследователи из Массачусетского технологического института под руководством профессора химии Мей Хун и профессора планетарных наук Сары Сигер решили проверить, что произойдет с пептидами при попадании в 98-процентную серную кислоту.

В ходе эксперимента ученые поместили несколько типов коротких синтетических пептидов в раствор кислоты высокой концентрации. Исследователи ожидали увидеть быстрый распад молекул на отдельные компоненты. Однако пептиды сохраняли свою целостность в течение нескольких недель наблюдений.

Объяснение этого явления лежит в химическом механизме разрушения пептидных связей. Процесс расщепления органических связей под действием кислоты называется гидролизом.

Для протекания реакции гидролиза обязательно требуется наличие свободных молекул воды. В процессе реакции молекула воды разделяется, и ее части присоединяются к местам разрыва химической связи между аминокислотами.

В 98-процентном растворе серной кислоты практически нет свободных молекул воды. Вся имеющаяся вода крепко связана с самой кислотой. Из-за отсутствия свободной воды химическая реакция гидролиза не может начаться. В результате концентрированная серная кислота теряет способность расщеплять пептидные связи и начинает работать как растворитель, сохраняющий структуру молекулы.

Исследование трехмерной формы пептидов в кислоте

Сохранение химической целостности молекулы — это первый шаг. Вторым и более важным шагом стало выяснение того, сохраняют ли пептиды определенную трехмерную форму в кислотной среде или превращаются в хаотично изогнутые цепи.

Для анализа пространственной структуры молекул ученые использовали метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на приборе с частотой 800 Мегагерц. Этот метод позволяет определить точное положение каждого атома внутри молекулы с помощью измерения магнитных свойств их атомных ядер.

В качестве объектов исследования были выбраны:

• Пептид HHQ, состоящий из семи аминокислот.
• Пептид HHQ13, представляющий собой удлиненную версию HHQ.
• Пептид K7, состоящий из семи аминокислот другого типа.

На Земле, в водном растворе, пептид HHQ обычно принимает плоскую форму. Со временем такие плоские структуры соединяются друг с другом, образуя длинные нитевидные агрегаты.

В концентрированной серной кислоте поведение молекулы полностью изменилось. Вместо плоской формы все исследованные пептиды сформировали устойчивую изнутую структуру — омега-петлю. Эта пространственная форма получила такое название за внешнее сходство с греческой буквой омега.

ЯМР-анализ показал интересную особенность взаимодействия кислоты и органики:

1. Молекулы серной кислоты размещаются во внутренней полости образовавшейся омега-петли.
2. Серная кислота образует с аминокислотами химические соединения (водородные связи).
3. Кислота фиксирует пептид в одном положении, не позволяя ему распасться или измениться.

В белках земных организмов омега-петли встречаются регулярно. Они располагаются на поверхности белковых молекул и участвуют в процессах молекулярного распознавания — то есть позволяют белку находить определенные клетки или другие вещества и соединяться с ними.

Тот факт, что пептиды образуют стабильные омега-петли в концентрированной серной кислоте, доказывает: в кислотной среде органические молекулы способны принимать формы, необходимые для химической активности.

Источники органических веществ в атмосфере Венеры

Возникает вопрос: откуда в атмосфере Венеры могут взяться аминокислоты и пептиды для формирования сложных систем?

Основным источником органики в верхней атмосфере являются метеориты и космическая пыль. Падающие космические тела регулярно заносят в атмосферу планеты простые органические соединения, включая аминокислоты.

Ранее считалось, что эти вещества сгорают или немедленно разрушаются при контакте с сернокислотными капелями облачного слоя. Новые данные показывают иной сценарий:

• Аминокислоты, попадая в облачный слой, не распадаются.
• Без доступа воды они могут соединяться в пептидные цепи.
• Внутри капель концентрированной серной кислоты пептиды приобретают устойчивую пространственную форму.

Таким образом, облачный слой Венеры может функционировать как среда, в которой накопление и усложнение органических веществ происходит непрерывно.

Изменение научных подходов к поиску жизни

Результаты работы ученых из MIT меняют методологию поиска внеземных форм жизни и оценки обитаемости планет за пределами Солнечной системы (экзопланет).

Ранее при анализе атмосфер экзопланет астрономы искали условия, максимально близкие к земным: наличие жидких океанов, нейтральную или слабокислую водную среду, атмосферный кислород. Планеты с плотными кислотными атмосферами считались неперспективными.

Открытие стабильности пептидов в серной кислоте доказывает два важных тезиса:

1. Разнообразие химических растворителей. Вода не является единственной возможной средой для протекания сложных биохимических процессов. Концентрированная серная кислота способна поддерживать структуру органических молекул.
2. Расширение списка потенциально обитаемых планет. Планеты Венера-типа, широко распространенные в нашей Галактике, теперь должны рассматриваться как объекты с возможной органической химией в атмосфере.

Дальнейшие направления исследований

Лаборатория профессора Сары Сигер готовит следующую серию экспериментов. Ученые планируют изучить поведение в концентрированной серной кислоте более сложных молекулярных систем.

В первую очередь исследователей интересуют пептидно-нуклеиновые кислоты (ПНК). Это искусственно созданные молекулы, похожие на ДНК. В ДНК остов молекулы состоит из сахаров и фосфатов, а в ПНК этот остов заменен пептидной цепью.

Ранее ученые установили, что одиночная цепь ПНК сохраняет стабильность в серной кислоте. Теперь исследователям предстоит проверить, сможет ли в кислотной среде существовать двухцепочечная структура ПНК, способная хранить и передавать генетическую информацию.

Кроме того, запланированы эксперименты с более длинными пептидными цепями, содержащими десятки аминокислот, чтобы узнать, какие еще трехмерные формы могут принимать белковые молекулы в отсутствие воды.

Параллельно ведется подготовка к практическим исследованиям. Сара Сигер возглавляет научную программу Morning Star Missions — серию частных и государственных космических аппаратов, которые будут отправлены к Венере. В рамках этих миссий зонды спустятся в облачный слой планеты и заберут образцы капель серной кислоты для прямого анализа на наличие органических соединений.

Итоговые выводы

Эксперименты химиков из MIT доказали, что высокая кислотность среды сама по себе не является барьером для существования сложных органических молекул. Главным фактором, определяющим стабильность пептидов, оказывается наличие или отсутствие свободной воды.

В условиях 98-процентной серной кислоты отсутствие воды блокирует реакцию гидролиза. Это позволяет пептидам неделями сохранять целостность, а молекулам кислоты — участвовать в фиксации их пространственной формы.

Эти данные заставляют пересмотреть границу между обитаемыми и необитаемыми мирами. Химические процессы, лежащие в основе формирования сложных молекулярных систем, могут протекать в условиях, которые ранее считались полностью стерильными.

Источник: MIT News