Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Ли Биллингс
«5 000 000 000 лет одиночества». Глава из книги


А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


А. Захаров
Нейрогастрономия


А. Водовозов
С запахом горького миндаля


В. Власюк
50 лет САО


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает







Главная / Новости науки версия для печати

Направленность химической эволюции зависит от способа помешивания раствора


Рис. 1. Схема размножения молекул в эксперименте. Шесть мономеров объединяются в кольцевую молекулу — гексамер, который становится затравкой для роста фибриллы. Фибрилла растет с обоих концов, а ее разрыв ведет к появлению двух новых точек роста. Чем чаще рвутся фибриллы, тем быстрее идет накопление гексамеров в растворе. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Рис. 1. Схема размножения молекул в эксперименте. Шесть мономеров объединяются в кольцевую молекулу — гексамер, который становится затравкой для роста фибриллы. Фибрилла растет с обоих концов, а ее разрыв ведет к появлению двух новых точек роста. Чем чаще рвутся фибриллы, тем быстрее идет накопление гексамеров в растворе. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Ключевую роль в зарождении жизни сыграло появление химических репликаторов — молекул, способных к синтезу собственных копий. Британские и нидерландские химики обнаружили простую автокаталитическую систему, в которой исход конкуренции между двумя репликаторами зависит от характера механического воздействия на реакционную смесь: если ее встряхивать, побеждает один репликатор, если помешивать — другой, а если оставить в покое, ни один из репликаторов не может успешно размножаться. Открытие показало, что не только химические, но и механические факторы могли определять направленность отбора на этапе предбиологической эволюции.

Считается, что важным этапом химической эволюции, предшествовавшей появлению жизни, было формирование разнообразных автокаталитических циклов — реакций, катализируемых своими собственными продуктами (см. обзор «Происхождение жизни»). В последние десятилетия химики активно изучают разнообразные автокаталитические процессы, основанные как на «естественных» биологических молекулах (пептидах, РНК, ДНК), так и на полностью синтетических. Одна из задач состоит в том, чтобы понять, какие факторы могут поддерживать систему в состоянии, далеком от термодинамического равновесия (это одно из основных свойств жизни). Например, показано, что избирательное накопление в реакционной смеси какого-нибудь одного или нескольких «маловероятных» продуктов из большого числа возможных может происходить за счет химического связывания этих продуктов какой-нибудь молекулой, причем образующиеся комплексы уже не участвуют в дальнейших превращениях (см.: Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров, «Элементы», 24.02.2010). Кроме того, продукты реакций могут избирательно стабилизироваться за счет полимеризации или «склеивания» в устойчивые комплексы. По-видимому, на этом принципе основано размножения прионов (см.: Дарвиновская эволюция без участия генов, «Элементы», 16.02.2010).

Работа британских и голландских химиков, опубликованная в журнале Science, показала, что на избирательное накопление отдельных «маловероятных» продуктов могут влиять не только химические, но и механические факторы, такие как способ перемешивания реакционной смеси. Исследователи работали с тремя искусственно синтезированными веществами, молекулы которых способны объединяться в кольцевые структуры, состоящие из 3–7 мономеров (рис. 2).

Рис. 2. Вещества, использовавшиеся в экспериментах. Каждый мономер представляет собой бензольное кольцо, к которому присоединены две тиоловые группы (–SH) и один из трех радикалов (X). Мономеры в присутствии кислорода самопроизвольно объединяются в кольцевые структуры. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
Рис. 2. Вещества, использовавшиеся в экспериментах. Каждый мономер представляет собой бензольное кольцо, к которому присоединены две тиоловые группы (–SH) и один из трех радикалов (X). Мономеры в присутствии кислорода самопроизвольно объединяются в кольцевые структуры. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

У вещества 1 в качестве радикала присутствует короткий пептид, состоящий из чередующихся гидрофобных остатков лейцина и гидрофильных остатков лизина. Такие пептиды имеют обыкновение склеиваться в устойчивые структуры — бета-листы (beta-sheets). Идея состояла в том, что кольцевые молекулы, образованные из таких мономеров, возможно, будут объединяться в какие-то стабильные комплексы.

Вещества 2 и 3 использовались в качестве контрольных. Их радикалы не обладают способностью формировать бета-листы.

Авторы установили, что растворы обоих контрольных веществ быстро приходят к равновесному состоянию с резким преобладанием трех- и четырехчленных циклов (тримеров и тетрамеров), и после этого никаких изменений в системе уже не происходит.

Вещество 1 повело себя иначе. В течение первых четырех дней в растворе тоже преобладали тримеры и тетрамеры, но затем быстро начала расти доля семичленных циклов — гептамеров. За две недели гептамеры почти полностью вытеснили все остальные типы молекул, за исключением небольшого количества шестичленных циклов (гексамеров).

В описанных опытах растворы помешивали при помощи магнитной мешалки (stir bar). Как ни странно, оказалось, что именно способ помешивания определяет судьбу вещества 1. Если раствор не мешать вовсе, образуются только тримеры и тетрамеры, как и в случае с веществами 2 и 3. А если вместо помешивания применить встряхивание (для этого использовали другое стандартное устройство — орбитальный шейкер), вещество 1 превращается преимущественно в шестичленные циклы (гексамеры). Судьба веществ 2 и 3 не зависит от механических воздействий: как их ни мешай, всё равно получаются только тримеры и тетрамеры.

Полученные результаты на первый взгляд кажутся очень странными (поклонники эпопеи о Гарри Поттере наверняка вспомнили уроки зельеварения в Хогвартсе). Каким образом способ помешивания может повлиять на исход реакции? Применив к своим растворам всю мощь современных методов аналитической химии, авторы установили, что гексамеры и гептамеры существуют в растворе не поодиночке, а в виде длинных нитей — фибрилл. Каждая нить представляет собой «стопку» кольцевых молекул, приклеенных друг к другу благодаря способности пептидов образовывать бета-листы (рис. 1). Ширина фибриллы составляет от 4,7 до 4,9 нанометров, что соответствует диаметру гекса- и гептамеров с торчащими наружу пептидными радикалами. Длина фибрилл может достигать 1–2 микрометров.

Оба конца фибриллы служат «точками роста», к которым приклеиваются всё новые и новые кольцевые молекулы. Приклеивание идет избирательно: к гексамерам прилипают гексамеры, к гептамерам — гептамеры. Молекулы, приклеившиеся к фибрилле, выпадают из дальнейших превращений, то есть обретают стабильность. Таким образом, гептамеры и гексамеры ведут себя как настоящие репликаторы: они стимулируют образование собственных копий. При этом они конкурируют друг с другом за «пищу», то есть за моно-, три- и тетрамеры, служащие исходным субстратом для синтеза новых гекса- и гептамеров.

Причем же тут помешивание? При помощи ряда дополнительных экспериментов авторы выяснили, что разные способы механического воздействия по-разному влияют на фибриллы, состоящие из шести- и семичленных молекул. При встряхивании фибриллы, состоящие из гексамеров, рвутся чаще, чем гептамерные. Вероятно, это объясняется тем, что гептамеры склеиваются друг с другом прочнее, чем гексамеры: первые удерживаются вместе семью бета-листами, вторые — только шестью. Чем чаще рвутся фибриллы определенного типа, тем больше возникает новых точек роста и тем быстрее идет синтез и стабилизация соответствующих кольцевых молекул. Поэтому при встряхивании гексамеры размножаются быстрее и побеждают своих семичленных конкурентов в борьбе за субстрат.

При помешивании магнитной мешалкой обе разновидности фибрилл рвутся с примерно одинаковой частотой. Фибриллы измельчаются мешалкой, трущейся о дно сосуда. При таком способе фрагментации фибрилл небольшие различия в их прочности уже не имеют значения. Поэтому при изначально равном количестве гекса- и гептамеров будет образовываться равное количество новых точек роста обоих типов. В такой ситуации победителем в конкурентной борьбе становится тот из двух репликаторов, который реплицируется быстрее (то есть быстрее наращивает свои фибриллы). Гептамерные фибриллы растут быстрее гексамерных, и поэтому в таких условиях победа оказывается на стороне семичленных молекул.

Выяснилось также, что гептамеры и гексамеры не могут съесть друг друга: они питаются только моно-, три- и тетрамерами. Размножение обоих типов репликаторов в среде с ограниченным количеством «пищи» идет по сигмоидальной кривой, как и положено любым размножающимся биообъектам: сначала их численность растет с ускорением, затем рост замедляется и в конце концов останавливается. Если добавить в раствор новую порцию «пищи», рост возобновляется.

Исследованные авторами химические репликаторы могут размножаться и конкурировать друг с другом, но они не могут мутировать и подвергаться отбору (в отличие, например, от прионов, в размножении которых тоже играют важную роль бета-листы, см.: Дарвиновская эволюция без участия генов, «Элементы», 16.02.2010). Но авторы не ставили себе целью создать искусственную жизнь. Да и молекулы, с которыми они работали, слишком далеки от биологической реальности. Смысл работы в другом: она показала, что исход конкурентной борьбы между химическими репликаторами может зависеть не только от химических, но и от механических факторов. Это существенно расширяет круг возможностей для исследователей, ищущих подходы к пониманию предбиологической эволюции.

Источник: Jacqui M. A. Carnall, Christopher A. Waudby, Ana M. Belenguer, Marc C. A. Stuart, Jérôme J.-P. Peyralans, Sijbren Otto. Mechanosensitive Self-Replication Driven by Self-Organization // Science. V. 327. P. 1502–1506.

См. также:
1) Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008.
2) Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?, «Элементы», 12.01.2009.
3) Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009.
4) Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров, «Элементы», 24.02.2010.

Александр Марков


Комментарии (13)



Последние новости: ХимияМолекулярная биологияАлександр Марков

28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
17.06
В металло-карбеноидах чем больше катион щелочного металла, тем стабильнее молекула
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение
2.06
Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных
31.05
Получены двумерные наноструктуры с контролируемыми размером и свойствами поверхности
23.05
В Китае найдены древнейшие многоклеточные водоросли
16.05
Уровень полученного образования отчасти зависит от генов

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия