Eden glavnih znanstvenih problemov, s katerimi se ukvarjajo znanstveniki po vsem svetu, je izvor življenja na Zemlji. V zadnjih desetletjih je bilo na tem področju doseženih veliko uspehov, na primer razvit je koncept sveta RNA. Vendar še vedno ni znano, kako točno so nastale molekule, ki so služile kot prvi "gradniki" življenja. Revija Science je objavila članek, ki odgovarja na morda najpomembnejše vprašanje: od kod so prišli nukleotidi, ki sestavljajo RNA. "Lenta.ru" razkriva podrobnosti študije in govori o njenem pomenu.
Po sodobnih znanstvenih konceptih življenje izvira iz organskih spojin, ki so med seboj reagirale in ustvarile ključne molekule - nukleozide. Znano je, da nukleozid tvori sladkorna riboza ali deoksiriboza in ena od petih dušikovih baz: adenin, gvanin, timin, citozin ali uracil. Nukleozidi so predhodniki nukleotidov, iz katerih sestavljata DNA in RNA. Da se nukleozid spremeni v nukleotid, je potrebna dodatna komponenta - ostanki fosforjeve kisline.
Zakaj pridejo do izraza nukleozidi? Na to vprašanje odgovarja znanstveni koncept, znan kot hipoteza sveta RNA, ki verjame, da je RNA stala ob izvoru življenja. Molekule ribonukleinske kisline so bile prve, ki so v primarni brozgi izvajale katalizo kemičnih reakcij, se naučile kopirati samega sebe in druga drugo ter, kar je najpomembneje, nositi dedne podatke. Te RNK imenujemo ribocimi. Če je imela katera koli molekula RNA sposobnost sintetiziranja lastnih kopij, potem je ta lastnost prenašala iz roda v rod. Včasih so kopiranje spremljale napake, zaradi katerih so nove RNA pridobivale mutacije.
Mutacije lahko resno škodijo katalitičnim lastnostim molekul, lahko pa tudi spremenijo RNA in ji dajo nove sposobnosti. Znanstveniki so na primer ugotovili, da nekatere mutacije pospešijo postopek samokopiranja, spremenjeni ribocimi pa čez nekaj časa začnejo prevladovati nad "običajnimi". Molekularni biologi pod vodstvom Briana Pegela iz Raziskovalnega inštituta Scripps v Kaliforniji so opazili, kako se je encimska aktivnost ribocimov med tridnevno evolucijo v laboratoriju povečala za 90-krat. Zato tudi, če ribozimi na začetku niso bili zelo aktivni, bi jih lahko molekularna evolucija spremenila v idealne katalitične stroje.
Kljub temu hipoteza sveta RNA naleti na številne težave. Na primer, ni znano, kako bi lahko nastala abiogena, torej brez sodelovanja živih organizmov, sinteza prvih ribocimov. Medtem ko je bilo najdenih veliko argumentov v korist sveta RNA, ključno vprašanje - kako je nastalo - ostaja kamen spotike.
Nekateri znanstveniki menijo, da kemične spojine, iz katerih so nastali nukleozidi, niso mogli nastajati v kopenskih razmerah, ampak so jih na vesolje prinesli iz vesolja. Vendar je treba opozoriti, da je težava povezana z nukleozidi purina - adenosinom in gvanozinom, ki vsebujeta adenin in gvanin. Za molekule pirimidina, ki vsebujejo citozin, timin ali uracil, so znane poti sinteze, ki bi lahko obstajale ob nastanku življenja. Domino podobne kemične reakcije vodijo do tvorbe velikih količin potrebnih pirimidinov.
Promocijski video:
Znanstveniki so predlagali možno pot nastanka purinskih nukleozidov, vendar lahko privede do pojava številnih drugih spojin, med katerimi bi bili potrebni nukleozidi le majhen del. Samo odstranjevanje purinov ne bo delovalo, saj niso samo sestavni sestavni deli RNK in DNK, ampak tudi tvorijo adenozin trifosfat (ATP), ki sodeluje pri presnovi energije in snovi v telesu, ter gvanozin trifosfat, ki služi kot vir energije za sintezo beljakovin.
Preprost način tvorbe nukleozida, kot je adenozin, je kombiniranje adenina z ribozo v prisotnosti NH4OH. Riboza se veže na enega izmed atomov adeninskega dušika, le več jih ima, samo dušik na devetem položaju pa naj bi sodeloval pri sintezi adenozina. Poleg tega se izkaže, da ta dušikov atom ni zelo reaktiven. To pomeni, da če je hipoteza sveta RNA pravilna (kar je več kot verjetno), mora obstajati še kakšen drug način sinteze adenozina in gvanozina v primarni juhi.
V novi raziskavi so znanstveniki predlagali drugačno pot sinteze purinskih nukleozidov, ki rešuje težavo in krepi položaj koncepta sveta RNA. Vse se začne z molekulami aminopirimidina, ki se zlahka tvorijo iz spojine, preproste kot NH4CN. To se zgodi s tvorbo gvanidina, nato reagira z aminomalonitrilom, kar ima za posledico nastanek molekule tetraaminopirimidina. V okolju, ki vsebuje kisik, zlahka oksidira, vendar ostane stabilno v atmosferi brez kisika, ki je bila značilna za Zemljo pred rojstvom. Poleg tetraaminopirimidina se lahko tvorijo tudi druge podobne molekule: triaminopirimidinon in triaminopirimidin. Vse te spojine so lahko topne v vodi.
Najpomembneje je, da je pri vseh treh aminopirimidinih reaktiven le določen dušikov atom, kar rešuje problem sodelovanja v reakciji drugih atomov, kar je značilno za adenin. Zakisano okolje vodi v dejstvo, da dušikovi atomi v obroču pritrjujejo protone in blokirajo vse zunanje amino skupine, razen ene, ki se nahaja na petem položaju. Ko segrevamo mešanico aminopirimidinov in mravljične kisline, nastane le ena možna spojina - formamidopirimidin. Reakcijski izkoristek je 70 do 90 odstotkov.
Formamidopirimidin kljub podobnosti s purini nima svojih pomanjkljivosti. Kot se je izkazalo, je dušikov atom v devetem položaju najbolj reaktiven, reakcija z ribozo v alkalnem mediju pa vedno vodi do enakega rezultata: sinteze ogljikovih okostij za purinske nukleozide. Zanimivo je, da formamidopirimidin aktivno sodeluje pri tvorbi riboze iz glikolaldehida in gliceraldehida, kar olajša sintezo nukleozidov v amonijačnem okolju. Na splošno je znanstvenikom uspelo odkriti pot za nastanek predhodnikov nukleotidov iz najpreprostejših derivatov amoniaka. Takšni derivati so bili nedavno najdeni na kometu Churyumov-Gerasimenko, kar potrjuje stališče o aktivnem sodelovanju kometov pri oskrbi Zemlje z vsem, kar je potrebno za nastanek življenja.
Vendar pa kemična evolucija sproža veliko več vprašanj in za njihovo odgovor bodo potrebna prizadevanja raziskovalcev po vsem svetu. Celotna slika abiogeneze naj bi opisala ne le nastanek nukleotidov in drugih organskih molekul brez sodelovanja živih organizmov, temveč tudi njihovo interakcijo v pogojih zgodnje Zemlje, interakcijo, ki je privedla do nastanka prvih celic.
Aleksander Enikejev