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

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

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

Последние новости: Химия, Молекулярная биология, Александр Марков

1 сентября Помогать науке можно играя

20 июля Синтезировано третье соединение с графеном — флюорографен

12 июля Многоклеточные организмы, возможно, появились свыше 2 млрд лет назад

9 июля Новооткрытые рыбьи гены помогли понять, почему первые четвероногие были многопалыми

5 июля Люди судят о других на ощупь

1 июля Ихтиологи выяснили, зачем самцам усы

30 июня Процесс видообразования у пеночек Евразии растянулся на миллионы лет

29 июня Подлинное творчество несовместимо с показной скромностью

28 июня Теплолюбивая бактерия помогает понять происхождение интронов

25 июня Нейрологические механизмы принятия решений будут изучать на раках

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):