Спонтанное присоединение фосфора к органическим молекулам термодинамически невыгодно, однако возможно, если процесс происходит не в растворе, а в микрокаплях, показали химики из Стэнфорда. Ученым удалось воссоздать в микрокаплях процессы, которые, возможно, лежали в основе абиогенеза первых молекул РНК — неферментативного фосфорилирования рибозы и образования рибонуклеозида. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Фосфорилирование является одной из ключевых реакций в живых клетках. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), многих липидов в составе клеточной стенки, активность множества внутриклеточных белков регулируется путем фосфорилирования. В клетках все эти процессы осуществляются при участии ферментов, и чаще всего донором фосфата выступает АТФ. Однако в водном растворе реакция присоединения фосфата невыгодна с термодинамической точки зрения, поэтому этап включения фосфора в первые органические молекулы остается загадкой для ученых, которые занимаются проблемами происхождения жизни.

Химики из Стэнфорда совместно с корейскими коллегами из института науки и технологии Тэгу-Кёнбук предположили, как могли появиться первые рибонуклеозиды — компоненты РНК. Именно молекулы РНК, а не белки, в соответствии с гипотезой РНК-мира, стали первыми биогенными молекулами, способными осуществлять репликацию самих себя и катализ химических реакций.

Ученые смогли осуществить неферментативный синтез рибонуклеозида уридинмонофосфата из урацила, рибозы и ортофосфорной кислоты. Ключевым этапом в этой реакции является образование рибозо-1-фосфата, которое в норме не идет в водном растворе. Однако авторы работы показали, что эта реакция может протекать в микрокаплях.

По всей видимости, на поверхности микрокапель происходит упорядочивание молекул, которое позволяет ускорить некоторые реакции в миллион раз. Ранее ученым удалось без участия катализатора провести в микрокаплях ряд химических и биохимических реакций, включая окислительно-восстановительные реакции, формирование связей между атомами углерода и сворачивание белка.

В эксперименте авторы работы распыляли раствор сахара с ортофосфорной кислотой в масс-спектрометре и наблюдали спонтанное появление новых соединений. При комнатной температуре и нормальном давлении таким образом удалось получить значительные количества фосфорилированной рибозы, глюкозы, галактозы и фруктозы. Выход фосфорилированных сахаров в среднем составил десять процентов от общего количества сахара в растворе. Фосфорилирование всех сахаров происходило по первому атому углерода.

Исследователи рассчитали свободную энергию фосфорилирования рибозы в микрокаплях и показали, что ΔG процесса при комнатной температуре составляет −1,1 ккал/моль, то есть с точки зрения термодинамики процесс может идти самопроизвольно. Для сравнения, в растворе эта величина больше нуля и составляет 5,4 ккал/моль.

На следующем этапе эксперимента авторы распылили раствор, содержащий рибозу, ортофосфорную кислоту и урацил, чтобы продемонстрировать возможность спонтанного синтеза рибонуклеозидов. Выход уридинмонофосфата составил два с половиной процента. При этом в микрокаплях, содержащих только рибозу и урацил, химической реакции между ними не происходило.

Выводы исследователей подтверждают гипотезу о том, что реакции абиогенного синтеза на заре зарождения жизни могли происходить в водяных микрокаплях, которые широко распространены в природе (облака, туман, брызги волн).

Автор: Дарья Спасская