Химики из Нидерландов создали произвольно образующуюся в водном растворе систему, способную к саморепликации и протометаболизму. Под действием света красители, связанные со структурными единицами растущих волокон, катализировали реакции саморепликации и роста волокон.

Результаты исследования опубликованы в Nature Chemistry.

Для разгадки тайны возникновения жизни на Земле ученые пытаются создать искусственные химические системы, которые бы обладали важнейшими признаками живого: самокопированием, обменом веществ и компартментализацией (сохранение расположения компонентов системы близко друг к другу).

Метаболизм, в частности, играет важнейшую роль в развитии от простых самовоспроизводящихся систем к сложным, напоминающим живые. Обмен веществ помогает репликаторам использовать больше ресурсов, а также быстрее и стабильнее расти.

Возможность создания репликационных систем с метаболизмом уже изучали теоретически, но экспериментальных знаний пока недостаточно. Сложность их создания заключается в том, что такие системы должны катализировать как реакции самокопирования, так и реакции, связанные с обменом веществ.

Гильермо Сантьяго Монреаль (Guillermo Monreal Santiago) с коллегами из Гронингенского университета создали саморепликатор, способный спонтанно образовываться из сложной смеси и экспоненциально расти под действием света.

Репликатор представлял собой макроцикл из шести органических молекул — структурных единиц, которые при окислении связывались друг с другом дисульфидными мостиками. Множество репликаторов могли самоорганизовываться в волокна, причем даже при низких концентрациях.

Чтобы система проявляла поведение, подобное метаболизму живых существ, авторы снабдили репликаторы участками, поглощающими свет. Под действием энергии фотонов, с помощью этих органических участков, аналогичных кофакторам в биохимических процессах, макроциклы могли синтезировать прекурсоры для реакций самовоспроизведения.

В качестве фотоактивного кофактора применяли хромофоры: бенгальский розовый и тетрафенилпорфирин. Краситель с репликатором образовывали химическую связь, и возбуждение такой макромолекулы энергией света приводило к образованию синглетного кислорода, окислявшего тиольные группы реагентов для образования новых макроциклов репликатора.

Химические формулы структурной едницы макромолекулы репликтора (сверху) и фотохромов бенгальского розового (внизу слева) и тетрафенилпорфирина (внизу справа)) / Guillermo Monreal Santiago et al. / Nature Chemistry, 2020

Механизм саморепликации под воздействием света. Образуя соединение с красителем, поглотившим квант света, репликатор становится катализатором образования новых структурных единиц, которые затем нарастают на имеющуюся структуру / Guillermo Monreal Santiago et al. / Nature Chemistry, 2020

Данные химического анализа подтвердили, что основной реакцией (с выходом более 90 процентов) при воздействии света на систему является окисление тиольных групп с образованием макроциклов, которые затем по автокаталитическим реакциям присоединялись к имеющимся структурам, их наращивая. Даже при долгом воздействии света авторы могли наблюдать фотокаталитические реакции, что свидетельствует о незначительном выцветании красителей.

По словам авторов, поведение разработанной системы нельзя назвать метаболизмом, так как энергия не запасается и не расходуется на несамопроизвольные реакции. Тем не менее, они считают, что возможность возникновения такого протометаболизма является важной вехой в исследованиях происхождения жизни. Помимо этого, подобные фотокаталитические системы могут быть полезны и в областях химии, где необходим контроль скорости реакции, так как она зависит от интенсивности падающего света.