Новое химическое «древо происхождения жизни» раскрывает нашу молекулярную эволюцию

Одна из величайших загадок нашей Вселенной находится прямо здесь, на нашем пороге. Нет, ближе — за каждой фиброй нашего существа.

По крайней мере, 3,7 миллиарда лет назад несколько простых молекул слились вместе, чтобы создать что-то новое. Потом еще несколько. И каким-то образом эти стремительные комбинации в конечном итоге породили первые очень простые живые организмы, которые эволюционировали, чтобы стать всей жизнью на Земле.

Мы не знаем, в каком порядке это произошло; мы даже не знаем, когда и где это произошло. Но новое исследование показывает нам возможности.

С помощью специально разработанного программного инструмента ученые из Польши и Южной Кореи проследили потенциальные маршруты синтеза от простых молекул-предшественников (пребиотиков), присутствовавших на ранней Земле, до сложных биомолекул, которые сегодня породили изобилие жизни на планете.

«Хотя сотни органических реакций были подтверждены в согласованных пребиотических условиях, у нас все еще есть лишь отрывочное понимание того, как эти отдельные шаги объединяются в полные синтетические пути для создания строительных блоков жизни», — написали исследователи в своей статье.

«Мы использовали возможности компьютерного органического синтеза, чтобы составить карту сети молекул, которые могут быть синтезированы из основного пребиотического сырья».

Программное обеспечение называется Allchemy, и команда разработала его, закодировав известные пребиотические химические реакции в формате, который может прочитать машина. Они включали информацию о несовместимых группах и условиях, а также известных механизмах реакции в пребиотических условиях.

В качестве отправной точки в программу включены шесть основных известных молекул пребиотиков, существовавших до появления на Земле жизни: вода, азот, цианид, аммиак, метан и сера.

Оттуда алгоритм определяет возможные последовательные реакции. Они начинаются с исходных шести молекул, а затем последовательно прогрессируют, становясь все более и более сложными. Каждая вновь созданная молекула взаимодействует с продуктами всех предыдущих итераций в цепи, а также с исходными шестью молекулами.

В конце концов, эти цепные реакции производят строительные блоки жизни, такие как нуклеиновые кислоты, липиды и белки, такие как ферменты.

Команда использовала свое программное обеспечение для нескольких поколений и воспроизвела все известные пути к молекулам пребиотиков.

Некоторые молекулы пребиотиков, как установила Allchemy, могут образовываться невероятно быстро — глицин, который наш организм использует в качестве нейромедиатора, образуется всего за одну реакцию.

Мочевина, аденин (компонент ДНК), бутендиовая кислота и щавелевая кислота могут образовываться всего после двух реакций; а глицеральдегид, изогуанин, аспарагиновая кислота, гипоксантин, цитозин, фенилаланин, янтарная кислота, яблочная кислота, глиоксиловая кислота и альдотетроза могут образовываться через три.

По словам исследователей, в течение двух часов программа произвела 82 биотических молекулы и 36 603 абиотических молекулы.

На основе созданного программного обеспечения древа жизни команда определила три типа появления химических веществ, которые имеют решающее значение для жизни.

Allchemy стала общедоступной. Исследование команды опубликовано в Science.

Источники: Фото: (Wołos et al., Science, 2020)