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


13
Показать комментарии (13)
Свернуть комментарии (13)

  • SysAdam  | 26.03.2010 | 09:45 Ответить
    Такой вопрос. Возможно ли, что именно механические воздействия сказались на хиральность земных биомолекул?
    Ответить
  • feb7  | 26.03.2010 | 13:08 Ответить
    Взболтать, но не смешивать. (с) Бонд. Джеймс Бонд.

    Если серьезно, единственный природный механизм, который приходит в голову, позволяющий перемешивать раствор - это зона морского/океанского прибоя. Перемешивание наблюдается в зоне обрушения волн. На глубоководье перемешивания нет.

    При ламинарных течениях перемешивания не наблюдается. Для турбулентного течения нужны очень большие числа Рейнольдса (читай: большие размеры либо скорости).

    Тряска.....ммм...землетрясение? оно долго не длится!
    Кто меня поправит?
    Ответить
    • Rattus > feb7 | 26.03.2010 | 15:44 Ответить
      >землетрясение? оно долго не длится!
      Это теперь не длится, а 4 с копейками млрд. лет тому назад, когда кора только сформировалась? В сущности жизнь-то образовалась почти сразу после того. В пределах полумиллиарда лет же.

      Кроме того еще приходят на умъ геотермальные источники.

      Кстати интересный момент перехода химии в "бытовую механику" есть в протоколах выделения ДНК из бактериальных клеток - во время лизиса там именно что нужно взболтать, но не встряхивать. И тем аккуратнее, чем длиннее выделяемая молекула (всего тысячи и десятки тысяч н.п.), а свыше ~30 тыс. н.п. вообще нужно обращаться очень бережно и на последующих этапах.
      Ответить
      • feb7 > Rattus | 26.03.2010 | 19:45 Ответить
        Ну, ни я, ни Вы не знаем, какой была сейсмическая обстановка 3.5 млрд лет назад, и сколько длились землятрясения, и какой магнитуды они были)))Хотя исследование, описанное в статье, видимо, позволят это уточнить.

        Что касается геотермальных источников.....тут, вероятно, Вы действительно правы. С одной стороны, стабильное поступление материала, высокий температурный градиент, с другой стороны, те самые высокие числа Рейнольдса, которые позволяют перемешать, но не встряхивать....Короче, черт его знает! Подождем еще! Очень интересно!
        Ответить
    • a_b > feb7 | 26.03.2010 | 19:14 Ответить
      Дождь?
      Ответить
      • feb7 > a_b | 26.03.2010 | 19:50 Ответить
        Вряд ли. Дождь долго обычно не длится, кроме того, он разбавляет дисциллированной водой реакционую смесь....хотя совсем исключать его я бы все-таки не решился.
        Ответить
        • a_b > feb7 | 27.03.2010 | 10:00 Ответить
          Собственно, еще никто не доказал, что для возникновения жизни _необходимо_ растирание ингридиентов в ступке. Может, наоборот, этого делать _не_надо_. Пока в reverse engineering добавился еще один фактор.
          Ответить
        • a_b > feb7 | 06.04.2010 | 23:09 Ответить
          Насчет "дистиллированной" воды. Вспомнился случай, когда в Мончегорске дождь проел дырки в японском зонтике. Было время...
          Ответить
  • PavelS  | 26.03.2010 | 20:49 Ответить
    Если напрячься, то думаю что можно будет придумать десятки причин где возникает перемешивание или перетирание. К примеру в те далёкие времена Земля вращалась заметно быстрее, Луна была ниже, приливы сильнее. Возможно от одного этого пласты земли ходуном ходили.
    Ответить
    • feb7 > PavelS | 27.03.2010 | 09:15 Ответить
      Они и сейчас "ходуном ходят". Приливная сила действует на весь обьем породы и, если меньше ее предела прочности, никаких механических перемещений не происходит. Да, приливное взаимодействие является "спусковым крючком" некоторых землетрясений, но во-первых, не всегда срабатывает, а во-вторых, землетрясения долго не длятся.

      Этот механизм, вероятно, отпадает.

      Я бы еще с Вами согласился, если бы Вы мне сказали о приливах и отливах водных масс. Но Вы четко написали: "пласты земли".
      Ответить
  • Aab  | 03.04.2010 | 17:44 Ответить
    А вот интересно, если взять для соединений типа 1 L и D аминокислоты, сварив 1L и 1D, смешать 1L & 1D в соотношении 1:1 и облучать смесь монохроматическим светом с круговой поляризацией вправо или влево (в присутствии кислорода) - что будет? Ну и трясти, конечно, при этом. Не будет ли нарушено соотношение не тольуо между 6-и и 7-и "членными" продуктами, но и между их L и D формами? Разумеется, длину волны надо подобрать...
    Ответить
  • jkhelgi  | 04.04.2010 | 19:12 Ответить
    AS мой комментарий конечно не связан напрямую с темой статьи, за что - sorry
    Мне бы хотелось указать на некое мифологическое отражение указанной в статье связи между механическим воздействием на "раствор" и возникновением организованных, эволюционирующих структур. В индуиской мифологии есть сюжет, называющейся "пахтание молочного океана", когда в процессе масштабного "взбалтывания" океана, стали появляться, так называемые, чатурдаса-ратнам - четырнадцать драгоценных предметов (луна, корова Сурабхи, богиня Лакшми, апсары и т.д.). То-есть в этом мифе описывается процесс возникновение неких новых организованных структур из первичной, простой субстанции, которые в ней изначально, в зачаточном состоянии, не содержаться, в процессе масштабного механического воздействия на эту субстанцию.
    Ответить
    • feb7 > jkhelgi | 05.04.2010 | 20:36 Ответить
      В "Звездных дневниках Йона Тихого" у С.Лема похожий процесс тоже описан. Только там двум виновным в зарождении жизни на Земле еще и алименты присудили.
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»