Вопрос о том, каким образом неживые химические вещества, появившиеся в примордиальном первичном бульоне, привели к появлению жизни на Земле является одним из наиболее загадочных для науки. Ответ на этот вопрос не только позволил бы ответить на вопрос о происхождении жизни на Земле, но и дать нам ключи к загадке – одиноки мы или нет во Вселенной.

С момента, когда стало известно, что ДНК представляет собой ключевую для воспроизводства жизни самовоспроизводящуюся молекулу, химики пытались выяснить понять, каким образом двойная спираль могла образоваться в примордиальную эпоху.

Достаточно быстро появилась мысль о том, что генетическим материалом, предшествовавшим появлению ДНК, могла стать одноцепочечная, и была сформулирована гипотеза «мира РНК». Но благодаря чему появилась молекула РНК? Химики из США предполагают,

что в роли предшественника РНК могла выступать другая нуклеиновая кислота – ТНК – треонуклеиновая кислота (TNA – threose nucleic acid).

Рис. 1. Треонуклеиновая кислота может
самоорганизовываться в сложные пространственные
формы, комплементарные молекулам РНК. (Рисунок из
Nat. Chem., 2012, DOI: 10.1038/nchem.1241).

Джон Шапу (John Chaput) с коллегами из Университета Аризоны поясняет, что ТНК представляет собой более простую в химическом отношении систему, нежели РНК, и, хотя ТНК считается потенциально возможным производным РНК природного происхождения, ряд фактов вполне могут свидетельствовать в пользу того, что она могла быть предшественником РНК на ранних этапах химической эволюции.

Несмотря на относительную простоту, ТНК может обмениваться информацией с РНК, образуя комплементарные двухспиральные ассоциаты как сама с собой, так и с молекулой РНК, что еще более десятилетия назад было продемонстрировано Альбертом Эшенмозером (Albert Eschenmoser). Тем не менее, до настоящего времени исследователям не удавалось наблюдать одну из важных характеристик ТНК, которая могла бы стать важным фактором перехода от предполагаемого мира ТНК к миру РНК – возможность спирализации в новые функциональные третичные структуры, способные к связыванию лигандов и катализу реакций.

Шапу отмечает, что основанная на углеводе треозе ТНК проще РНК не потому, что треоза содержит на один атом углерода меньше, чем рибоза, а потому, что она может быть синтезирована из более простых исходных соединений. Для облегчения синтеза ТНК исследователи из его группы использовали селекцию in vitro, с помощью которой им удалось провести химическую эволюцию рецепторов на основе ТНК, способных связываться со случайными молекулярными мишенями.

В качестве первичной мишени исследователи использовали тромбин – белок, необходимый для свертывания крови. Получение ТНК оказалось возможным благодаря дизайну и получению ферментов-полимераз, способных осуществлять процесс транскрипции, обеспечивающий получение нитей ТНК на основе соответствующих участков ДНК.

Исследователи из Аризоны потратили десятилетие для того, чтобы разработать химическую методологию, позволяющую получить комбинаторную библиотеку молекул ТНК.

Полученная библиотека треонуклеиновых кислот позволила исследователям продемонстрировать, что ТНК могут самоорганизовываться в сложные формы, отличающиеся друг от друга способностью связываться с биохимическими лигандами определенного типа.

Таким образом исследователи продемонстрировали свойство ТНК, которое для этих соединений не было известно ранее, однако давно было продемонстрировано для РНК и ДНК. Шапу полагает, что обнаруженные им свойства ТНК могут быть свидетельством в пользу того, что на ранних этапах развития живых систем ТНК могли сыграть роль предков современных генетических систем.