Американские ученые впервые воспроизвели синтетически, без металлических катализаторов, один из центральных биохимических процессов — цикл трикарбоновых кислот, — и описали, как органическая химическая реакция могла миллиарды лет назад начаться неорганическим путем. Возможно, сложная реакция обмена веществ зародилась на Земле как взаимодействие двух простых молекул в воде.

Популярные гипотезы зарождения жизни на Земле из супа химических веществ обычно сосредоточены вокруг происхождения ДНК и РНК, молекул, хранящих генетическую информацию. Но генезис генов — только одна из загадок жизни. Другая — появление метаболизма — биохимических процессов внутри клеток, которые обеспечивают условия для жизни, постоянно получая энергию из окружающей среды и направляя ее на сборку важных молекул.

Важный шаг к раскрытию этой тайны сделали ученые из Университета Фермана и Исследовательского института Скриппса. Они открыли, как мог возникнуть один из наиболее важных компонентов клеточного метаболизма. И показали, что почти все ингредиенты этого процесса легко могли сформироваться всего из двух простых органических соединений, реагирующих друг с другом в воде, пишет Quantum Magazine.

Центральный элемент обмена веществ — сложный 10-этапный химический процесс, известный как цикл трикарбоновых кислот (ЦТК). Он расщепляет пищу на энергию и синтезирует необходимые для жизни белки. Анаэробные организмы тоже пользуются этим циклом, чтобы превращать СО₂ в жиры и сахара.

Поскольку ЦТК участвует в настолько многих фундаментальных процессах даже в самых простых клетках, ученые подозревают, что эта реакция была одной из первых, которые возникли в добиологической фазе бытия. Для реконструкции его развития биохимики обычно движутся в обратном направлении, заменяя восемь ферментов, участвующих в современном ЦТК, на переходные металлы, которые служат катализаторами многих реакций. Но переходные металлы часто не могут создать нужные молекулы или требуют высоких температур или других экстремальных условий. Что хорошо для ускорения реакции, но плохо для изучения химии зарождения жизни.

Поэтому ученые использовали совершенно другой подход. Вместо того чтобы пытаться найти предтечу ЦТК, заменяя его компоненты на более простые версии, они задались вопросом, какие реагенты могли присутствовать в добиологическом мире, а потом изучили их свойства в различных обстоятельствах.

Они обнаружили, что два соединения — глиоксилат и пируват — две самых маленьких кетокислоты с двумя и тремя атомами углерода, соответственно, вступая в реакцию, создают химические аналоги всех промежуточных продуктов цикла, кроме лимонной кислоты. Более того, все они формируются в воде в пределах одного реакционного сосуда, при температуре и кислотности, сравнимых с условиями на Земле.

Ученые подчеркивают, что их эксперимент не доказывает, что цикл трикарбоновых кислот непременно возник таким образом. Но если у предшественников клеток был доступ к этим молекулам, то они могли лечь в основу синтетической химии, необходимой для появления жизни. Первый опыт метаболизма почти наверняка был грубым и не точным, но со временем, когда белки стали его частью, ферменты могли получить контроль над некоторыми из реакций, и настоящий ЦТК мог обрести форму.