Открытие ученых из Scripps Research и Georgia Institute of Technology может пролить свет на эволюцию жизни на Земле и открыть путь к более эффективному производству биотоплива.

Ранняя Земля была суровым и непригодным для жизни местом с экстремальными температурами, повсеместной вулканической активностью и тонкой примитивной атмосферой. Тем не менее, из этого хаоса возникли основные молекулярные компоненты жизни, такие как сахара, аминокислоты и нуклеотиды. Одна из давно принятых теорий среди химиков предполагает, что рибоза, сахар, образующий структурный каркас РНК, возникла спонтанно в результате химического процесса. Однако новое исследование ставит это под сомнение.

В статье, опубликованной в журнале Chem, ученые из Scripps Research и Georgia Institute of Technology оспаривают гипотезу реакции формозы. Согласно этой гипотезе, простые молекулы формальдегида реагировали в условиях ранней Земли, образуя рибозу. Однако новые данные выявляют ключевой недостаток: в контролируемых экспериментальных условиях реакция формозы не производит линейные сахара, такие как рибоза. Вместо этого она преимущественно образует разветвленные сахарные структуры, которые несовместимы с формированием РНК.

Эти результаты не только переосмысливают наше понимание происхождения жизненно важных молекул, но и предлагают идеи, которые могут повлиять на синтетическую биологию и стратегии производства биотоплива.

«Идея реакции формозы как пребиотического источника рибозы нуждается в серьезном пересмотре», — говорит соответствующий автор Раманараяна Кришнамурти, профессор химии в Scripps Research. «Нужно исследовать другие модели и варианты, если мы хотим понять, как эти сахарные молекулы появились на ранней Земле».

Реакция формозы была случайно открыта в 1861 году и с тех пор считалась ведущей гипотезой формирования пребиотических сахаров. Во время реакции молекулы формальдегида спонтанно и многократно реагируют друг с другом, создавая более крупные молекулы: сначала две молекулы формальдегида образуют двухуглеродную молекулу, которая затем реагирует с еще одной молекулой формальдегида, образуя трехуглеродную, и так далее, пока весь формальдегид не будет использован.

Реакция начинается медленно, но затем становится неконтролируемой. По мере образования все более сложных сахаров смесь изменяет цвет с бесцветного на желтый, затем на коричневый и, наконец, на черный. «Это почти как карамелизация», — говорит Кришнамурти.

Исследование контролируемых условий

«Проблема в том, что это очень беспорядочная реакция, и если рибоза образуется вообще, то лишь в ничтожных количествах и среди сотен или тысяч других соединений», — говорит Кришнамурти. «Мы хотели понять, почему эта реакция так сложна, и можно ли ее контролировать».

Обычно реакция формозы проводится при высоких температурах и в сильно щелочной среде (при pH 12 или 13). В данном случае исследователи решили протестировать реакцию в более мягких условиях: при комнатной температуре и pH около 8, что, по их мнению, ближе к условиям пребиотической ранней Земли. Для отслеживания количества и типов образующихся сахаров они использовали мощную аналитическую технику — спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и пометили начальные молекулы. Смесь наблюдали в течение нескольких дней.

Они показали, что эта реакция возможна даже при мягких условиях, но её результат остаётся таким же сложным и неконтролируемым, как обычно.

«Реакционная способность формальдегида не позволяет остановиться на каком-то конкретном этапе», — говорит Кришнамурти. — «Даже при очень мягких условиях реакция продолжается до тех пор, пока весь формальдегид не израсходуется, что делает её крайне трудной для контроля или остановки на стадии образования промежуточных сахаров».

Последствия для происхождения жизни и промышленности

Данные ЯМР (ядерного магнитного резонанса) показали, что все более крупные сахара, образовавшиеся в ходе формозной реакции, имели разветвлённую структуру. Поскольку почти все сахара, используемые в живых организмах в качестве строительных молекул, являются линейными и неразветвлёнными, это ставит под сомнение роль формозной реакции в происхождении биологических сахаров.

«Наши результаты ставят под сомнение формозную реакцию как основу для образования линейных сахаров», — говорит Чарльз Лиотта, соавтор исследования и заслуженный профессор Технологического института Джорджии.

Хотя мягкие условия реакции не привели к образованию линейных сахаров, необходимых для объяснения происхождения РНК, методы, использованные в исследовании, могут быть полезны в биотопливной промышленности, где разветвлённые сахара являются востребованным продуктом.

«Наша работа может быть полезной для производства биотоплива, поскольку мы показали, что при мягких условиях можно более чисто получать разветвлённые сахара, подходящие для “зелёного” топлива», — говорит Кришнамурти.

Это не означает, что исследования происхождения жизни с участием формозной реакции должны быть прекращены. Учёные надеются, что их работа подтолкнёт к новым подходам.

«Наша цель — показать все проблемы, с которыми вы столкнётесь, рассматривая формозную реакцию как возможный путь образования сахаров в добиологическую эпоху. Но мы не говорим, что это тупик. Возможно, наши результаты вдохновят кого-то найти способ обойти эти трудности», — говорит Кришнамурти. — «Мы призываем научное сообщество мыслить иначе и искать альтернативные решения, чтобы объяснить, как сахарные молекулы могли появиться на ранней Земле».