Астрономы уже давно знают о наличии разнообразных органических соединений в космическом пространстве. Однако вопрос о том, насколько сложными и, что самое важное, близкими к биологическим молекулам могут быть эти «внеземные органические вещества», остается открытым. В новой статье, опубликованной в журнале Science Advances, ученые продемонстрировали, что пептиды, представляющие собой полимеры аминокислот, родственные белкам, могут образовываться в условиях, типичных для холодных пылевых облаков в межзвездной среде.
Одной из наиболее захватывающих и одновременно сложных задач, стоящих перед современной наукой о природе, является абиогенез – процесс возникновения жизни из изначально неживых веществ. За время, прошедшее с начала исследований, учеными было предложено множество гипотез, частично проливающих свет на абиогенез, несмотря на это, все они содержат изъяны и являются скорее гипотезами.
Начальным и наиболее элементарным этапом абиогенеза считается формирование молекул, являющихся основой живой клетки: ДНК, РНК и белков. Эксперименты, в 1953 году С. Миллер и Г. Юри провели исследование, продемонстрировавшее возможность «самосборки» аминокислот, являющихся строительными блоками белков. Однако, в настоящее время известно, что условия, использованные ими в эксперименте, не соответствовали реалиям древней Земли. Кроме того, данный эксперимент не дает объяснений формированию более крупных полимеров из аминокислот — белков, а также более мелких молекул, называемых пептидами.
Авторы новой статьи в Science Advances предположили, что пептиды, то есть короткие цепочки из аминокислот, могут самопроизвольно возникать в условиях глубокого космоса — в межзвездном пространстве. Речь о пропускающих свет скоплениях пыли, в которых царит космический мороз (около минус 260 градусов Цельсия), существуют стабильные молекулы и в том числе вода в виде льда. Из этого материала формируются кометы и астероиды, среди которых первые содержат менее изменившиеся и близкие к своему исходному состоянию вещества.
Установлено, что кометы и другие космические объекты периодически сталкиваются с Землей и другими небесными телами Солнечной системы. Такие «коллизии» были особенно часты во времена поздней тяжелой бомбардировки 4,1—3,8 миллиарда лет назад. Не исключено, что именно в те времена падающие метеориты «удобрили» Землю разнообразной органикой, в том числе такими соединениями, которые не могли образоваться на самой планете. Согласно современным представлениям, вскоре после того на Земле появились первые живые клетки.
Пептиды и белки привлекли внимание исследователей, так как без них трудно представить даже самые элементарные клеточные процессы: катализ химических реакций и воспроизведение клеточных структур. В современных организмах эти молекулы образуются внутри клеток в специализированных органеллах – рибосомах, которые используют РНК в качестве матрицы. Однако, изначально на Земле ничего подобного не существовало.
Парадокс разрешается, если предположить, что первые пептиды, обладающие каталитическими свойствами, появились из космоса в готовом виде. Поэтому ученые воспроизвели условия, соответствующие облакам газа в межзвездном пространстве, и провели в них химические реакции с участием атомарного углерода-13, угарного газа и аммиака. Реакцию начали при температуре около минус 263 градусов Цельсия и повышали вплоть до 27 градусов. Чтобы не перепутать продукты реакции с обычной органикой, использовали меченый углерод с атомной массой 13.
В ходе эксперимента было получено несколько пептидов, образованных из глицина — самой простой аминокислоты. Однако не все из них обладают свойствами, характерными для биологически активных веществ молекул карбоксильный и амино-концы, подавляющее большинство имели по краям сразу две аминогруппы.
Использование нескольких аналитических методов одновременно дало возможность детально изучить механизм реакции. В соответствии с ожиданиями, в его основе лежит образование и полимеризация аминокетенов (NH 2CHCO).
Замечено, что проведение реакции в присутствии воды, особенно на поверхности льда, приводило к замедлению образования пептидов. Вода оказала влияние и на состав конечных продуктов: пептидные цепи стали менее длинными, и чаще имели стандартное строение – с одним амино- и карбоксильным концом.
Авторы акцентируют внимание на значимости аммиака как катализатора полимеризации аминокетенов. Таким образом, для формирования « внеземных» роль пептидов в биохимических процессах значительно превышает значение воды, которая является основой для всех химических реакций, происходящих на нашей планете.