Текст книги "Происхождение жизни. От туманности до клетки"

Существует и другая гипотеза о происхождении хиральной асимметрии во Вселенной. Еще в 1957 году при изучении бета-распада радиоактивных элементов (разновидность ядерного распада, при котором один из нейтронов в ядре превращается в протон, испуская быстрый электрон; при этом масса ядра практически не меняется, а заряд увеличивается на единицу) было обнаружено, что в этом процессе существует разница между левым и правым: как правило, распадающееся ядро испускает электрон с левой спиральной поляризацией. Поляризация электронов определяется несколько по-другому, чем поляризация света. Электрон, как и другие элементарные частицы, имеет спин – собственное постоянное магнитное поле. Постоянное магнитное поле порождается электрическим током, текущим по кругу, соответственно, спин подобен вращению электрона вокруг своей оси (само это название происходит от английского spin – кручение). Если электрон движется по прямой, то сложение его спина с движением дает либо левую, либо правую спираль. Поэтому электроны, в отличие от света, могут иметь только спиральную поляризацию.

Причиной бета-распада является слабое взаимодействие – одна из четырех фундаментальных сил. В отличие от трех других – гравитации, электромагнетизма и сильного ядерного взаимодействия – в слабой для получения зеркального отражения системе необходимо заменить частицы на их античастицы. Иначе говоря, бета-распад с испусканием правополяризованных частиц возможен только в мире антивещества, состоящего из антипротонов, антинейтронов и позитронов. Гипотеза Вестера – Ульбрихта, согласно которой хиральная асимметрия живой материи тем или иным способом происходит от асимметрии слабого взаимодействия, была высказана еще в 1959 году, но ее надежного экспериментального подтверждения пришлось ждать долго. Асимметрия слабого взаимодействия работает одинаково во всей Вселенной, и если она определила исходную хиральность космической органики, а затем и жизни, то жизнь на всех планетах должна использовать левые аминокислоты.

Как может быть связана асимметрия на уровне элементарных частиц с асимметрией на уровне молекул? Возможны разные механизмы. Первое обнаруженное проявление асимметрии слабого взаимодействия – поляризованные электроны, испускаемые при бета-распаде. Они могут взаимодействовать с хиральными молекулами, но их энергия слишком велика. Поэтому при попадании в молекулу эти быстрые электроны гарантированно разрушают ее, невзирая на хиральность. Однако при их рассеянии в веществе оттуда выбивается множество вторичных электронов меньшей энергии, которые в основном сохраняют исходную поляризацию. Эксперименты с поляризованными электронами небольших энергий показали, что они, подобно поляризованным ультрафиолетовым лучам, избирательно разрушают один из оптических изомеров. В обзоре Ричарда Розенберга, опубликованном в книге «Electronic and Magnetic Properties of Chiral Molecules and Supramolecular Architectures», приводятся результаты ряда экспериментов, в которых достигнут избыток одного изомера до 25 %. Причем самое сильное хиральное обогащение происходит, если облучаемое органическое вещество наморожено при низкой температуре на поверхность ферромагнитного материала, например железа. В протопланетном диске ранней Солнечной системы было много быстро распадающихся бета-радиоактивных изотопов, таких как ²⁶Al и ⁶⁰Fe, а также достаточно ферромагнитных пылинок самородного железа и его оксидов. Вторичные электроны от распада этих изотопов вполне могли привести к преобладанию левых аминокислот в веществе метеоритов.

Помимо бета-распада слабое взаимодействие существует между электронами и ядрами всех атомов и молекул в каждый момент времени. Энергия слабого взаимодействия входит в энергию покоя молекулы и отличается у двух оптических изомеров. Для свободных аминокислот эта разница ничтожно мала (менее 10–11 кДж/моль) и никак не может влиять на химические реакции, характерные изменения энергии в которых в тысячу миллиардов раз больше. Однако эта разница сильно зависит от массы центрального атома хиральной молекулы – пропорционально шестой степени! Поэтому в комплексах аминокислот с тяжелыми металлами разница энергии покоя, вносимая слабым взаимодействием, теоретически может быть достаточно большой, чтобы проявляться в химических реакциях. Кроме того, вклад энергии слабого взаимодействия может быть гораздо заметнее не в обычных химических реакциях, а в более низкоэнергетических процессах – образовании кристаллов из раствора и образовании комплексных соединений, или при температуре вблизи абсолютного ноля, когда энергия теплового движения молекул минимальна. Так или иначе, эту разницу удалось экспериментально наблюдать в процессах кристаллизации этилендиаминовых комплексов кобальта и иридия. При медленном упаривании раствора левые изомеры этих комплексов выпадали в осадок быстрее, разница составила 0,02 % для комплекса с кобальтом и 1,2 % для комплекса с иридием (Szabó-Nagy et al., 1999).

Известен один случай, когда левые и правые аминокислоты ведут себя по-разному в химической реакции с веществом, не имеющим левых и правых изомеров. Это солевой синтез пептидов, который мы упоминали в главе 6: в крепком растворе NaCl или KCl с ионами меди в качестве катализатора аминокислоты самопроизвольно соединяются в короткие пептиды. Избыток соли сдвигает равновесие в сторону синтеза, несмотря на водную среду. Хотя расчетная разница в уровнях энергии между левым и правым изомерами аминокислоты в комплексе с медью недостаточна для заметного влияния на химические реакции, в эксперименте для трех аминокислот – аланина, валина, изолейцина – соединение двух молекул левых изомеров происходит на 10–50 % быстрее, чем двух правых. Для других аминокислот такой заметной разницы нет, и непонятно, почему теория не сходится с опытом только для этих трех аминокислот.

Так или иначе, чтобы небольшой избыток одного оптического изомера, порожденный астрономическими или квантовыми процессами, превратился в хиральную чистоту аминокислот и нуклеотидов живой материи, необходимы еще два шага. Во-первых, небольшой избыток должен быть усилен; и, во-вторых, хиральная асимметрия должна быть передана от аминокислот к рибозе и нуклеотидам, причем так, чтобы левым аминокислотам соответствовала правая рибоза.

Самый простой механизм усиления избытка одного изомера можно вывести из опытов Пастера с винной кислотой. Как мы помним, изомеры винной кислоты кристаллизуются по отдельности, и образуется смесь «левых» и «правых» кристаллов, так называемый конгломерат. Если же упаривать раствор с «метеоритным» соотношением изомеров 60:40, то преобладающий изомер начнет выпадать в осадок раньше. Вовремя остановив упаривание, можно получить чистые кристаллы одного изомера и равную их смесь в растворе.

Большинство аминокислот ведут себя противоположным образом: при упаривании раствора сначала выпадают рацемические кристаллы (с отношением изомеров точно 1:1), и раствор обогащается тем изомером, которого было больше в исходной смеси. Так, из раствора фенилаланина с отношением изомеров 52:48 удалось в два цикла упаривания получить раствор с долей L-изомера 90 % (Breslow, Levine, 2006). Аналогично ведет себя и главный оптически активный промежуточный продукт (и автокатализатор) реакции Бутлерова – глицеральдегид. Его чистые изомеры при комнатной температуре вообще не кристаллизуются, а образуют сироп, который смешивается с водой в любых пропорциях. Смесь изомеров легко образует кристаллы с температурой плавления 145 °C. Поэтому при упаривании растворов глицеральдегида с небольшим избытком одного изомера можно получить этот изомер с чистотой до 99,9 % (Breslow, 2011). Рибоза, глюкоза и другие пяти– и шестиуглеродные сахара неспособны к такой самоконцентрации оптически активного изомера, но рибоза в составе нуклеозидов (напомню, это сахар плюс азотистое основание; если присоединить к нуклеозиду остаток фосфорной кислоты, получится нуклеотид) способна. Нуклеозиды, подобно аминокислотам, предпочтительно выпадают в осадок в соотношении изомеров 1:1, оставляя в растворе избыточный изомер. Таким образом, они могут накапливаться в растворе в оптически чистой форме (Breslow, Cheng, 2010).

Еще один механизм разделения изомеров аминокислот связан с адсорбцией на кристаллах минералов (Hazen et al., 2001). Некоторые типы кристаллических структур имеют отдельные хиральные грани. Кристалл в целом при этом не хирален, так как зеркальное отражение хиральной грани есть на другой стороне того же кристалла. Самый обычный минерал с такой структурой – кальцит, основная разновидность карбоната кальция. При оседании аминокислот на кристаллы одни грани обогащаются L-изомером, а другие – D-изомером (рис. 8.3). При соединении аминокислот на поверхности такого кристалла будут образовываться пептиды высокой хиральной чистоты даже из раствора с равным содержанием левых и правых аминокислот.

В некоторых условиях можно получить хирально чистые аминокислоты из смеси равных количеств обоих изомеров. Группа испанских химиков под руководством Кристобаля Вьедма (Viedma, 2008) показала, что, если нагреть раствор аспарагиновой кислоты с добавлением салицилового альдегида и уксусной кислоты до 100–130 °С, образуются чистые кристаллы одного оптического изомера. Повторяя опыт много раз, ученые с равной вероятностью получали как правый, так и левый изомер. А добавляя небольшой начальный избыток одного изомера, они всегда в конце опыта получали его в чистом виде. Аспарагиновая кислота – это одна из двух аминокислот, оптические изомеры которых кристаллизуются раздельно. Салициловый альдегид в кислой среде позволяет растворенным изомерам переходить друг в друга, поэтому небольшие случайные отклонения в начале кристаллизации постепенно приводят к полному превращению смеси в чистый L– либо D-изомер (рис. 8.4).

Распознавание изомеров друг другом может происходить не только при образовании кристаллов. В 1996 году коллективом японских химиков была открыта реакция, названная по имени руководителя группы – реакция Соаи (Blackmond, 2010). В ней из двух оптически неактивных веществ (пиримидиновый альдегид и цинкоорганическое соединение) образуется оптически активный пиримидиновый спирт, причем соотношение изомеров далеко от 1:1 и случайно меняется от опыта к опыту (рис. 8.5). Загадочные свойства этой реакции десять лет не удавалось объяснить, но теперь мы знаем, что тут действует три фактора:

• эта реакция автокаталитическая – ее конечный продукт ускоряет собственный синтез, как и в реакции Бутлерова;

• автокатализ в реакции Соаи стереоспецифичен. Левый изомер ускоряет синтез левого изомера, а правый – правого;

• молекулы продукта в растворе объединяются попарно. Пары L–L и D – D обладают каталитической активностью, а L – D – нет.

В результате небольшой случайный избыток одного изомера продукта будет усилен во много раз, причем чем дольше идет реакция – тем сильнее. К сожалению, реакция Соаи и другие открытые учеными реакции с подобными свойствами не имеют никакого отношения к аминокислотам, нуклеотидам и вообще биохимии, но, возможно, аналогичные реакции с аминокислотами в природе тоже будут найдены.

Как от избытка левых аминокислот перейти к избытку правых сахаров? Можно предположить, что аминокислоты могут вмешиваться в реакцию Бутлерова как стереоспецифичные катализаторы. Действительно, так оно и есть. Эксперименты показывают, что добавление L-аминокислот в реакцию Бутлерова приводит к образованию избытка правых сахаров. Для большинства аминокислот этот избыток не превышает 2 %, но с глутаминовой кислотой получается 60 % D-сахаров, а с пролином – даже 80 %! Более того, комплексы глутаминовой кислоты и пролина с ионами цинка, подобно силикатам и фосфатам, останавливают реакцию на стадии пяти– и шестиуглеродных сахаров (Kofoed et al., 2005). Метеоритные небелковые аминокислоты, такие как изовалин, тоже очень эффективно передают хиральность сахарам в реакции Бутлерова.

В синтезе нуклеотидов по Сазерленду различные аминокислоты тоже вызывают стереоспецифический синтез нуклеотидов. Более того, достаточно было 1 % избытка одного из стереоизомеров аминокислот, чтобы в конце концов получились хирально чистые рибонуклеотиды! Механизм этого процесса не слишком мудреный. Аминокислоты вмешиваются в синтез Сазерленда на стадии реакции 2-аминооксазола с глицеральдегидом, причем образуется тройной продукт (рис. 8.6). Эта реакция стереоспецифична: пара глицеральдегида с аминокислотой одной хиральности реагирует в четыре раза быстрее, чем разнохиральная пара. Таким образом, небольшой избыток L-аминокислоты будет связывать L-глицеральдегид в побочный путь реакции, оставляя для синтеза рибонуклеотидов больше D-изомеров.

Сазерленд ранее показал, что рибоаминооксазолин, подобно винной кислоте в опытах Пастера, способен при упаривании раствора кристаллизоваться в хирально чистые кристаллы уже при соотношении изомеров 60:40. Экспериментально получены такие кристаллы рибоаминооксазолина прямо из реакционных смесей с участием 14 чистых L-аминокислот из 19, содержащихся в белках. Пролин по стереоспецифичности далеко превосходит все остальные аминокислоты.

В завершение можно сказать, что мы так и не знаем, как появилась хиральная чистота наших белков и РНК. Но если раньше нам не было известно даже приблизительно, как она могла получиться, то теперь мы знаем сразу несколько реалистичных механизмов, просто не можем выбрать из них тот, который был самым значимым. Изучая земную жизнь и Солнечную систему, мы никогда не сможем поставить точку в этом вопросе – за ответом надо лететь к другим звездам. Если в Галактике примерно поровну представлена лево– и правоаминокислотная жизнь или хотя бы в метеоритной органике разных планетных систем бывает как левый, так и правый уклон, то значит, основы хиральности закладываются в газово-пылевых облаках перед рождением звезд и планет. Если же мы найдем только левоаминокислотную жизнь, то значит, хиральность жизни определяется квантовыми процессами, как предполагали Вестер и Ульбрихт.

Глава 9
Механизмы копирования РНК и начало РНК-мира

Итак, в предыдущих главах мы нашли подходящее место для РНК-мира: грязевые котлы и другие горячие источники на суше, где возможен синтез активированных нуклеотидов из веществ цианидно-формальдегидных дождей и выделяемых с вулканическими газами соединений фосфора. Также мы нашли несколько механизмов, которые могли нарушить равенство левых и правых хиральных вариантов нуклеотидов и аминокислот. Теперь можно искать пути от одиночных нуклеотидов к длинным молекулам РНК, способным создавать собственные копии.

В исходном варианте теории РНК-мира предполагалось, что сначала какие-то молекулы РНК синтезировались силами неживой природы – при помощи минералов, солнечного света и самопроизвольно идущих химических реакций. Потом среди них возник рибозим, способный копировать молекулы РНК, и с этого момента началась эволюция под действием естественного отбора (напомним, что рибозимы – это молекулы РНК, способные ускорять химические реакции, подобно белковым ферментам). В экспериментах по воссозданию такого рибозима поначалу подразумевалось, что в мире РНК копирование молекул РНК шло в принципе так же, как в современных организмах: новая нить строится из нуклеотид-трифосфатов, которые присоединяются по одному к 3' – концу растущей цепи (рис. 9.1); фермент, проводящий копирование, скользит по копируемой цепи, а матрицей служит однонитевая РНК либо одна из нитей двунитевой РНК, расплетаемой для копирования.

На поверхности смектита (разновидность глинистых минералов) происходит соединение нуклеотидов в цепи РНК длиной до 50 звеньев. Необходимы только активированные нуклеотиды; процесс занимает не более суток (Huang и Ferris, 2006). Дальнейшие эксперименты с глиной показали, что оседающие на нее нуклеотиды аккуратно выстраиваются в цепочку еще до того, как между ними возникает химическая связь, и поэтому даже из равной смеси «правых» и «левых» нуклеотидов образуется заметное количество хирально чистых цепочек. Среди четырехнуклеотидных связок оказывается 93 % хирально чистых, а среди пятинуклеотидных – 97 % (Jheeta, Joshi, 2014). К этим экспериментам можно придраться, так как в них использовались неестественные активированные нуклеотиды – нуклеотид-имидазол-монофосфаты, появление которых в условиях древней Земли практически невозможно. Однако и с более реальными формами нуклеотидов – циклическими нуклеотид-монофосфатами, которые образуются в результате синтеза Сазерленда, – получаются цепочки РНК длиной до 20 звеньев, а из чистого циклического гуанин-монофосфата – до 100 нуклеотидов даже без глины, просто при нагревании водного раствора до 80 °C (Costanzo et al., 2009).

РНК можно получить из простых, неактивированных нуклеотидов, таких как аденозин-монофосфат. В этом случае нужен тот или иной внешний источник энергии. Например, на поверхности глины при ультрафиолетовом облучении нуклеотид-монофосфаты соединяются в короткие цепочки РНК, состоящие из четырех-шести звеньев. Превращение энергии света в химические связи в этом случае осуществляется с помощью глины: можно сначала облучить УФ влажную глину, а потом в темноте добавить нуклеотиды, и получатся короткие РНК (Otroshchenko et al., 2009).

Тепловая энергия тоже может помочь. Например, при впрыскивании тонкой струйки нагретого до 100 °C раствора нуклеотидов в ледяную воду часть их соединяется по два и по три (Ogasawara et al., 2000). Наконец, самые длинные РНК получаются при упаривании раствора нуклеотидов с липидами – жироподобными веществами, образующими клеточные мембраны (Rajamani et al., 2008). В этих условиях при нагревании липидно-нуклеотидного осадка до 70–90 °C образуются молекулы РНК со средней длиной около 50 нуклеотидов, а при максимальной температуре – свыше 100 нуклеотидов. Липиды в высыхающем растворе образуют плоские слои и тонкие длинные цилиндры, внутри которых нуклеотиды накапливаются в высокой концентрации и почти без воды. В отличие от нагреваемых сухих смесей, в липидных слоях нуклеотиды упорядоченно расположены один за другим и сохраняют некоторую подвижность. Все это очень облегчает соединение нуклеотидов в длинные молекулы РНК.

Попытки найти рибозим-полимеразу, которая могла бы возникнуть при случайной полимеризации нуклеотидов, до сих пор не увенчались убедительным успехом. В экспериментах были получены относительно эффективные полимеразы: среди рибозимов, работающих в водном растворе при комнатной температуре, лучшим на сегодня является tC9 (Wochner et al., 2011). Этот рибозим способен удлинять короткую РНК-затравку на 95 звеньев-нуклеотидов. Этого категорически недостаточно для самокопирования: сам tC9 имеет длину около 200 нуклеотидов, удлинение затравки на 95 нуклеотидов занимает более суток, а высокая концентрация магния, необходимая для работы tC9, приводит к его постепенному разрушению. Есть варианты условий, в которых эффективность таких рибозимов возрастает. Например, Джеймс Атуотер исследовал работу рибозимов во льду – в тонких прослойках жидкости между ледяными кристаллами. Начав с tC9, он получил его холодоустойчивую разновидность tC9Y, работающую на морозе до –19 °С. При оптимальной температуре –7 °C tC9Y присоединяет к затравке до 206 нуклеотидов за 60 часов, причем разрушение самого рибозима ионами магния сильно уменьшилось по сравнению с комнатной температурой (Attwater et al., 2013).

Опыты с рибозимами-полимеразами показали, что на этом пути есть несколько трудноразрешимых проблем. Во-первых, сколько-нибудь эффективные рибозимы-полимеразы отличаются большой длиной, до 200 нуклеотидов, следовательно, их самопроизвольное возникновение без участия дарвиновского отбора очень маловероятно. Евгений Кунин в своей замечательной книге «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции» приводит расчеты, согласно которым для случайного образования такой молекулы с трудом хватает количества планет и времени существования видимой части Вселенной, содержащей миллионы галактик. Дарвиновская эволюция могла бы многократно ускорить появление сложного рибозима, но для нее необходим хоть как-то работающий механизм копирования.

Во-вторых, для этих рибозимов не все РНК-матрицы одинаково хороши. Лучше всего копируются те РНК, которые не образуют устойчивых внутримолекулярных двуспиральных участков (они называются шпильками, см. рис. 9.2). Однако все рибозимы, наоборот, содержат много устойчивых шпилек, поэтому tC9Y не может создать собственную копию.

В-третьих, рибозимы-полимеразы имеют недостаточную точность. Чтобы копируемая последовательность РНК или ДНК могла как-то эволюционировать под действием отбора, число ошибок должно быть меньше одной на одну копию – такое условие называется «предел Эйгена» в честь биофизика Манфреда Эйгена, доказавшего это в 1971 году (Eigen M., 1971). Если ошибок больше, то естественный отбор не справится даже с сохранением имеющейся генетической информации, не говоря уже о создании новой. Копирование всех бактериальных и вирусных геномов происходит именно с такой точностью. Большие геномы высших животных и растений формально не проходят предел Эйгена (например, в геноме человека размером около 3 000 000 000 нуклеотидов происходит около 30 мутаций за поколение), но поскольку большая часть нашего генома ничего не кодирует, то мутации в ней не влияют на жизнеспособность. Для tC9Y частота ошибок составляет около 2 %, т. е. при копировании РНК длиной 200 нуклеотидов он совершает в среднем 4 ошибки. При копировании самого себя с такой точностью рибозим будет разрушен мутациями за несколько поколений, несмотря на действие отбора.

В-четвертых, все известные рибозимы-полимеразы нуждаются в затравке, или праймере – коротком фрагменте РНК, который комплементарно связывается с РНК-матрицей, образуя двуспиральный участок, и будет дальше удлиняться путем присоединения нуклеотидов по одному. Эти затравки должны откуда-то браться. В современных клетках при копировании ДНК-геномов затравки делает специальный фермент, праймаза, родственный полимеразам. Эксперименты с этими ферментами показали, что совместить функции праймазы и полимеразы в одной молекуле очень сложно – хорошая праймаза делает много ошибок при удлинении затравки. Клеточные РНК-полимеразы, работающие в транскрипции (делающие РНК на матрице ДНК), обходятся без внешних затравок, но дорогой ценой – более 90 % РНК, которые они начинают синтезировать, обрываются на первых 5–10 нуклеотидах. Древний рибозим, который был не столь совершенным, как современные белковые ферменты, вряд ли смог бы копировать РНК без затравок. Бывают, правда, ситуации, когда молекула ДНК или РНК может выступать в качестве затравки для копирования самой себя. Например, при репликации способом «катящегося кольца» у некоторых вирусов двунитевой кольцевой ДНК-геном разрезается по одной цепи. ДНК-полимераза начинает удлинять один конец разрезанной нити, вытесняя другой, и совершает много оборотов по кольцу без перерыва. Однако кольцевую РНК трудно сложить в структуры, необходимые для рибозимов, и возникает необходимость в разрезании колец в определенном месте.

В-пятых, после работы рибозима-полимеразы образуется длинная двунитевая РНК, которая не может служить матрицей для следующего копирования. Чтобы продолжить копирование, надо как-то расплести ее на две отдельные нити. В клетках это делают специальные ферменты – хеликазы, расходующие энергию в виде АТФ на расплетание двойных спиралей, а специальные белки (они называются SSB – single-strand binding) связываются с одиночными нитями, чтобы они не слипались обратно. В раннем РНК-мире такой сложной системы, очевидно, быть не могло, и надо искать другие способы расплетания двунитевых РНК. Простейшим способом могут быть колебания температуры, которые используются в полимеразной цепной реакции (ПЦР) – лабораторном методе копирования ДНК в пробирке, при помощи одной полимеразы. В полимеразной цепной реакции построение вторых цепей ДНК идет при температуре 60–70 °C, а периодический короткий нагрев до 95 градусов разделяет двунитевые молекулы на отдельные нити. В условиях древней Земли подобные колебания температуры могут давать периодические выбросы кипятка из гейзеров или приливы на морском берегу. Однако при падении температуры две длинные нити РНК могут соединиться обратно. Для запуска нового цикла копирования нужно, чтобы концентрация затравок была в 100–1000 раз выше, чем длинных молекул. В ПЦР этого добиваются, добавляя большое количество искусственных затравок. В РНК-мире доступность затравок особенно критична при копировании РНК в липидных пузырьках, стенки которых пропускают только одиночные нуклеотиды, но и в растворе, и на минералах затравки все равно нужны.