Слушать новости
Телеграм: @gazetaru
Мёртвые молекулы размножились

Самовоспроизведение молекул впервые реализовано в сложном растворе

gecco.org
Когда-то давно ДНК или её предшественники должны были сами собой собраться из «супа» различных простых веществ. Дугласу Филпу удалось повторить этот опыт в лаборатории. Его самовоспроизводящаяся молекула и исходная смесь куда проще ДНК и «первородного супа», однако если они не подойдут для создания новой жизни, то точно должны пригодиться в нанотехнологиях.

Заглядывая в глубины Вселенной и не без успеха пытаясь воссоздать первые мгновения её жизни, мы до сих пор лишь строим гипотезы о том, как зародилась жизнь биологическая. Почему вдруг среди широкого разнообразия биологических молекул природа опирается в основном на левоповоротные хиральные молекулы аминокислот и правоповоротные молекулы сахаров? Почему в качестве соединительного мостика между нуклеотидами ДНК природой была выбрана фосфорная кислота, как молекулы смогли построиться в длинные цепочки?

Нитроны и малеимиды

Нитроны - класс химических соединений, с функциональной группой R1R2C=NR3+O-, где R3 отличен от атома водорода. Нитроны получаются окислением атома азота в молекулах иминов.



Малеимид - имид малеиновой кислоты с химической формулой H2C2(CO)2NH. В работе Фплипа используются его гомологи, в которы атом водорода при атоме азота заменен на углеводородный радикал.

Дуглас Филп из шотландского Университета Сент-Эндрюс в прошлом уже показывал всему миру, как одна молекула органического соединения, самопроизвольно образующаяся в растворе из двух соединений классов нитронов и малеимидов, может запускать последовательный автокаталитический синтез аналогичных молекул. Тем не менее называть смесь из двух соединений «первородным супом» язык не поворачивается — это всё равно, что считать борщом смесь воды и соли.

Теперь в сотрудничестве с Яном Садовником Филп продемонстрировал, как эта молекула может катализировать саморепликацию из гораздо большего набора исходных материалов, да таким образом, что побочные продукты практически не образуются.

Свои достижения Дуглас Филп представил на прошедшем недавно в Филадельфии совещании Американского химического общества. Конечно, по своей сложности подобная искусственно самореплицирующаяся система далека от системы репликации ДНК, однако она показывает способность молекул к самоконтролю в ходе воссоздания себе подобных.

«Абиотический суп» Филпа состоит из 25 различных видов молекулярных комплексов, построенных из небольшого количества простых исходных соединений — альдегидов, некоторые из которых имеют в своем составе амидопиридиновую группу, а также из малеимида.

Все 25 комплексов могут претерпевать взаимные превращения до тех пор, пока в смесь не добавляется особый малеимид. Он является компонентом для сборки одного из комплексов и позволяет этой молекуле, уже описанной Филпом в предыдущей работе, запустить автокаталитический процесс саморепликации.

Репликация ДНК

процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

В процессе самокопирования подобные молекулы по принципу комплиментарности захватывают из раствора отдельные простые молекулы, которые служат частями для сборки копии комплексной молекулы. Так как все 25 комплексов существуют в состоянии динамического равновесия с раствором их составных частей, постепенно и они преобразуются в ходе автокаталитического процесса репликации в комплекс Филпа.

Репликация останавливается, когда 93% исходных строительных блоков оказываются в составе реплицируемой молекулы — модели для сборки.

Не так давно учеными было показано, что аналогичный механизм преобразования смеси молекул в молекулы одного сорта мог лежать в основе отбора природой оптических изомеров на начальном этапе развития жизни на Земле.

Работа Филпа, показывающая возможность копирования простыми молекулами самих себя, используя компоненты из смеси очень простых соединений, — уже большое достижение, однако её автором изначально руководило вовсе не стремление показать, как именно зародилась жизнь на Земле.

Дело в том, что подобные самособирающиеся и самореплицирующиеся в зависимости от начальных условий молекулы могут послужить людям и в практических приложениях — для самосборки нужных молекул, что называется, на заказ.

При этом один и тот же универсальный абиотический суп в перспективе может служить для сборки и химических веществ, и целых нанотехнологических устройств, функциональность которых также можно будет настраивать и задавать, добавляя в исходное соотношение компонентов один или два типа избыточных молекул.

Придет ли человечество в результате такого поиска к тем же самым молекулам ДНК, которые уже не первый миллиард лет успешно использует природа, или научится использовать их по своему усмотрению, покажут ближайшие десятилетия.