Почему все белки «левосторонние»? Новая теория может решить загадку происхождения жизни.
Эксперименты показывают, что скорость химических реакций объясняет, как пары аминокислот, а возможно, ДНК и РНК, становятся односторонними.
В основе жизни лежит предубеждение, и ее происхождение — вечная загадка. Почти все аминокислоты, из которых сегодня состоят белки, существуют в зеркальном отражении, как перчатки для правшей и левшей. Но жизнь использует только левые, хотя на заре существования планеты обе формы должны были быть в равном количестве и легко соединяться в лабораторных условиях. Должно быть, в «первобытном супе» что-то перекосило баланс в сторону левшей и сохранило этот перекос с тех пор.
Теперь трио американских исследователей предлагает новое объяснение. Сегодня в журнале Nature они сообщают, что, отслеживая скорость образования пар аминокислот, называемых дипептидами, они обнаружили несколько механизмов, которые в конечном итоге способствуют образованию дипептидов, два члена которых имеют одинаковую направленность.
«Это весьма убедительно», — говорит Джеральд Джойс, химик-первооткрыватель происхождения жизни и президент Института биологических исследований Солка, который не принимал участия в исследовании. В дальнейшем исследователи надеются выяснить, не перекосят ли те же механизмы более крупные пептиды и белки в сторону левостороннего расположения и не объяснят ли они противоположный перекос в РНК и ДНК, основания которых содержат сахара, неизбежно являющиеся правосторонними. Если да, то новые механизмы могут объяснить, как сама жизнь приняла одну зеркальную форму, а не другую.
В последние десятилетия было выдвинуто несколько объяснений хиральности жизни, поскольку известен уклон в сторону той или иной рукости. Например, было показано, что метеориты, которыми могла быть засеяна ранняя Земля, содержат аминокислоты с большим количеством левосторонней хиральности, возможно, потому, что их содержимое подвергалось воздействию поляризованного света. Или магнитные поля на ранней Земле могли придать изгиб ранним биомолекулам. Но даже если какая-то внешняя сила создала первоначальный перекос, что его распространило?
Одну подсказку дает недавняя работа Мэтью Паунера, химика по происхождению жизни из Университетского колледжа Лондона, и его коллег. За последние 5 лет группа Паунера открыла ряд молекул на основе серы, которые, вероятно, присутствовали на ранней Земле, и показала, как они легко соединяют отдельные аминокислоты с предшественниками аминокислот, называемыми аминонитрилами, образуя дипептиды. Поскольку эти реакции происходят в воде и протекают со всеми аминокислотами, встречающимися в живых организмах, они дают возможность предположить, как могли образоваться первые белки.
Команда Паунера не проверила, есть ли у ее катализаторов на основе серы хиральный уклон. Именно здесь Донна Блэкмонд, химик по происхождению жизни из Научно-исследовательского института Скриппса, и ее коллеги Мин Денг и Цзиньхан Ю подхватили эстафету. Они протестировали два сернистых соединения Паунера, чтобы выяснить, чувствительны ли катализаторы к хиральности при образовании дипептидов. Так и оказалось, но не так, как ожидал Блэкмонд. Катализаторы создавали в четыре раза больше «гетерохиральных» дипептидов — тех, в которых левовращающая аминокислота (L) соединялась с правовращающей (D), — чем полностью хиральных продуктов. «Мы думали, что это плохая новость», — говорит Блэкмонд, потому что это означало, что даже если аминокислоты на ранней Земле были изначально с предрасположенностью, то по мере формирования белков она должна была рассеяться.
Но когда Блэкмонд и ее коллеги заглянули глубже, новости стали лучше. В серии экспериментов исследователи из Скриппса начали с перекоса в пропорциях аминокислот L и D — например, 60 % Ls и 40 % Ds. Гетерохиральные дипептиды L,D и D,L образовывались быстрее всего, и по мере этого они вытягивали из смеси равное количество аминокислот L и D. Из-за исходного смещения в конечном итоге в пуле непрореагировавших аминокислот оставалось преобладающее количество Ls, что повышало вероятность образования полностью левовращающих дипептидов. «Это похоже на эффект домино», — говорит Паунер. Первая гетерохиральная реакция в конечном итоге стимулирует образование большего количества гомохиралов. «И это общий процесс, который работает со всеми аминокислотами», — говорит Паунер. Джойс добавляет: «Это просто математика».
Последующие эксперименты позволили предположить наличие второго фактора, усиливающего эффект. Команда обнаружила, что гетерохиральные дипептиды выпадают в осадок из раствора быстрее, чем гомохиральные, ускоряя путь к относительному обилию гомохиральных пар L,L или D,D, в зависимости от исходной смеси. По словам Блэкмонда, пока неясно, почему происходит такое смещение осадка. Однако, по словам Джойса, вместе с другим эффектом «это прекрасно согласуется с [экспериментальными] данными». Блэкмонд добавляет: «Неправильный ответ оказался правильным, чтобы привести нас к гомохиральности».
Пока что это стремление к определенной направленности было продемонстрировано только на дипептидах. Но, по словам Блэкмонда, предварительные работы показывают, что тот же самый процесс смещения происходит, когда серные катализаторы сшивают короткие пептиды в более длинные пептидные цепочки.
Джойс считает, что подобная математика может помочь объяснить, как генетические молекулы жизни обрели свою рукость. «Это может происходить с любыми другими вещами, например с РНК», — говорит он. Возможно, это было просто статистическое подбрасывание монетки, которое вызвало изначальный перекос в сторону строительных блоков с одной рукой, говорит Джойс. «Но как только эта монетка подбросилась, она заставила подбросить и другие монетки».
Ссылка на материал: www.science.org
Материал переведен и подготовлен Командой «ПравоНалево»
Перепечатка материала возможна только при указании прямой ссылки на страницу материала и упоминании в тексте материала:
Клуб левшей «ПравоНалево»
Основатель клуба — Елена Боева
propravonalevo.com
