В исследовании, опубликованном в химическом журнале Angewandte Chemie, они продемонстрировали, что простое соединение под названием диамидофосфат (DAP), которое вероятно присутствовало на Земле до возникновения жизни, могло химически связать вместе крошечные строительные блоки ДНК, называемые дезоксинуклеозидами, в нити первичной ДНК.
Это последнее открытие в серии открытий за последние несколько лет, указывающих на возможность того, что ДНК и ее близкая химическая родственница РНК возникли вместе как продукты сходных химических реакций, и что первые самовоспроизводящиеся молекулы – первые формы жизни на Земле – смесь двух.
Это открытие может также привести к новым практическим применениям в химии и биологии, но его главное значение состоит в том, что оно решает извечный вопрос о том, как впервые возникла жизнь на Земле.
В частности, это открывает путь для более обширных исследований того, как самовоспроизводящиеся смеси ДНК-РНК могли развиваться и распространяться на исконной Земле и, в конечном итоге, положили начало более зрелой биологии современных организмов.
«Это открытие является важным шагом на пути к разработке подробной химической модели того, как первые формы жизни возникли на Земле», – говорит старший автор исследования Раманараянан Кришнамурти, доктор философии, доцент кафедры химии в Scripps Research.
Открытие также отодвигает область химии происхождения жизни от гипотезы, которая доминировала в ней в последние десятилетия: гипотеза «мира РНК» утверждает, что первые репликаторы были основаны на РНК, а ДНК возникла только позже как продукт. форм жизни РНК.
РНК слишком липкая?
Кришнамурти и другие сомневались в гипотезе мира РНК отчасти потому, что молекулы РНК могли просто быть слишком "липкими", чтобы служить первыми саморепликаторами.
Нить РНК может притягивать другие отдельные строительные блоки РНК, которые прилипают к ней, образуя своего рода зеркальную цепь – каждый строительный блок в новой цепи связывается со своим комплементарным строительным блоком на исходной, «шаблонной» цепи.
Если новая нить может отделиться от эталонной нити и тем же самым способом начать создание шаблонов других новых нитей, то она достигла подвига самовоспроизведения, лежащего в основе жизни.
Но в то время как цепи РНК могут быть хорошими при создании шаблонов комплементарных цепей, они не так хороши для отделения от этих цепей. Современные организмы производят ферменты, которые могут заставить двойниковые цепи РНК – или ДНК – идти разными путями, тем самым обеспечивая репликацию, но неясно, как это могло быть сделано в мире, где ферменты еще не существовали.
Химерный обходной путь
Кришнамурти и его коллеги показали в недавних исследованиях, что «химерные» молекулярные цепи, которые являются частью ДНК и частью РНК, возможно, смогли обойти эту проблему, потому что они могут шаблонизировать комплементарные цепи менее липким способом, который позволяет им относительно легко разделяться.
Химики также показали в широко цитируемых статьях последних нескольких лет, что простые рибонуклеозидные и дезоксинуклеозидные строительные блоки, РНК и ДНК соответственно, могли возникнуть в очень похожих химических условиях на ранней Земле.
Более того, в 2017 году они сообщили, что органическое соединение DAP могло сыграть решающую роль в модификации рибонуклеозидов и соединении их вместе в первые цепи РНК. Новое исследование показывает, что DAP в аналогичных условиях мог сделать то же самое с ДНК.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что использование DAP для реакции с дезоксинуклеозидами работает лучше, когда дезоксинуклеозиды не все одинаковые, а представляют собой смесь разных« букв »ДНК, таких как A и T или G и C, как настоящая ДНК, – говорит первый автор Эдди Хименес, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Кришнамурти.
«Теперь, когда мы лучше понимаем, как первобытная химия могла создать первые РНК и ДНК, мы можем начать использовать ее в смесях строительных блоков рибонуклеозида и дезоксинуклеозида, чтобы увидеть, какие химерные молекулы образуются – и могут ли они самореплицироваться и развиваться. , "Кришнамурти говорит.
Он отмечает, что работа также может иметь широкое практическое применение. Искусственный синтез ДНК и РНК – например, в методе «ПЦР», лежащей в основе тестов на COVID-19, составляет огромный глобальный бизнес, но зависит от ферментов, которые являются относительно хрупкими и поэтому имеют множество ограничений.
По словам Кришнамурти, надежные химические методы получения ДНК и РНК, не содержащие ферментов, могут оказаться более привлекательными во многих контекстах.