Преджизнь: от белка до ДНК?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Вот уже более шестидесяти лет, как впервые синтезирован белок. Счет искусственным биополимерам растет, методы синтеза все совершенствуются. Сбываются мечты поколений химиков. И уже трудно удивить жителя XXІ века новой победой над тайнами живой природы.

Скорее он удивится, если в ряду биохимиков, вооруженных до зубов новейшей лабораторной техникой, заметит группу ученых, занятых странным, на первый взгляд, делом. В колбах и пробирках из простых, можно сказать, элементарных исходных компонентов самыми примитивными физическими и химическими воздействиями они пытаются получить органические вещества, синтез которых давно уже не проблема. Еще больше он удивится, узнав, что среди занятых этими «школьными» опытами — выдающиеся, с мировым именем биохимики и что их работа вызывает пристальный интерес ученых всех стран и самых разных специальностей — астрономов, геологов, физиков.

Если же этот житель XXІ века знаком немножко с историей биохимии, то удивление его может не уменьшиться, а возрасти еще более.

В 1897 году знаменитый биолог-дарвинист и философ Э. Геккель заявил в многолюдном собрании немецких ученых: «Если вы, химики, создадите правильный белок, то он закопошится!» Слова эти были встречены аплодисментами, а обращены они были к восходящей звезде органической химии — Эмилю Фишеру. Казалось тогда, что стоит решить проблему синтеза белка — и искусственная жизнь, рукотворный организм оживут в пробирке химика, «закопошатся».

Чуда требовали, его ждали — и вот десятки химиков бросились открывать строение белка и наудачу, вслепую пытаться получить его искусственно. И если первая часть этой работы шла быстро и уже на рубеже столетий были открыты все 20 кирпичиков, составляющих белки, — 20 аминокислот, и их почти сразу научились синтезировать, то со связыванием аминокислот в белковую цепочку дело застопорилось на полвека. То есть связываться-то они связывались, но белок не получался. Получались пептиды, наборы аминокислот, кое в чем схожие с белками. Например, как и белки, они были горькие на вкус (аминокислоты — сладковатые), могли перевариваться желудочным соком. Но ни у кого не хватило духу назвать их белками — столь очевидна была разница. Сначала думали, что дело тут в длине цепи — пептиды были много короче белков. Началась борьба за длину цепи.

И тогда Э. Фишер, лидер этой гонки (у него в 1907 году получился 18-членный пептид), выступил с суровым осуждением «тотального синтеза белка». Даже если в результате сотен лихорадочных опытов наобум белок будет случайно получен, то этот результат даст науке ничтожно мало. Он сравнил химика с путешественником по неизведанной стране, который может промчаться через нее с помощью скоростного современного транспорта и достичь границы, не узнав о стране почти ничего. Но может он путешествовать и со смыслом, по определенной системе, не слишком торопясь, силясь понять природу и обычаи страны. И даже если придет он к цели позже торопливого своего коллеги, истинным покорителем страны будет он.

Э. Фишер оказался прав. Путь к синтезу белков открылся только после выяснения матричной роли нуклеиновых кислот. Именно ДНК и РНК. подобно инженеру, запасшемуся чертежами, могут конструировать и строить строго определенную последовательность бесконечных нитей белка. Без этой строгой определенности самая длинная цепь аминокислот будет оставаться просто цепью аминокислот — пептидом. А не белком. (Пожалуй разобраться в хитросплетениях ДНК, РНК, пептидов и белков столь же увлекательно как заниматься компьютерной 3D графикой c помощью программ из сайта gfx-hub.net).

«А и Б сидели на трубе. А — упало, Б — пропало, что осталось на трубе? А осталась на трубе «И»…» Эта детская загадка процитирована… в журнале «Вопросы философии» в статье академика В. А. Энгельгардта, выдающегося биолога. Живое, скажем человека, можно оценить как сумму многочисленных А, Б, В — простых, элементарных веществ. Его можно оценить как сумму веществ более высокого ранга — белков, нуклеиновых кислот и т. д. И каждая такая сумма, если отбросить все составляющие ее слагаемые, будет содержать некое «И», отсутствующее в исходном наборе. Все живое «копошится», причем со смыслом, с целью. И ведь весь этот многообразный, целесообразный мир родился из мертвого камня, тошнотворных газов первичной земной атмосферы, воды и сиянья солнечных лучей. Как же это произошло?

И вот, соревнуясь друг с другом в простоте исходной химической утвари, в максимальном приближении к немногим возможным на первичной Земле химическим и физическим условиям, биохимики получают одно сложное органическое вещество за другим. Углеводороды, жирные кислоты, порфирины — предшественники гемоглобина и хлорофилла, основания нуклеиновых кислот и, наконец, аминокислоты — практически все, даже самые сложные вещества живого мира, можно получить примитивными, грубыми способами — например, пропуская слабые электрические разряды или ультрафиолет через первичную атмосферу — смесь аммиака, метана и воды. Сейчас этот этап тотального синтеза веществ преджизни можно считать пройденным. Впереди — самое трудное. Белок, нуклеиновые кислоты, первое самовоспроизведение, размножение, первая матрица, строящая упорядоченные надмолекулы.

«Начало жизни, — говорит Дж. Бернал, — это момент, когда жизнь перестала существовать как потребитель предварительно запасенной энергии и стала непрерывным самоподдерживающимся процессом».

Ряды штурмующих загадку происхождения жизни разбились как волны о внезапно выросшее перед ними препятствие. Это препятствие — знаменитая «центральная догма молекулярной биологии», сформулированная выдающимися учеными, открывателями структуры ДНК и лауреатами Нобелевской премии Дж. Уотсоном и Ф. Криком:

ДНК—РНК—белок.

Иначе говоря, биосинтез возможен только в одном направлении. Сначала над каким-то участком гигантской молекулы ДНК, как на матрице, собирается информационная РНК. Та из клеточного ядра, от ДНК идет в рибосомы — клеточные фабрики белка, где 20 — по числу аминокислот — транспортных РНК, этих грузчиков клетки, начинают подтаскивать к информационной РНК каждый свою аминокислоту, укладывают их на нее, как на конвейер, и с помощью ферментов (тоже белков!) «склеивают» строящуюся белковую молекулу.

Правило, установленное Уотсоном и Криком для живой клетки, некоторые ученые механически перенесли в прошлое, к моменту зарождения жизни. Так появилась проблема пра-ДНК. Миновав почему-то более простые и выполнимые стадии — РНК и белок, природа должна была случайно составить двойную спираль ДНК — невероятно сложную, до сих пор неподдающуюся синтезу.

Такая пра-ДНК и должна, казалось бы, быть первым организмом на Земле. Но гипотеза пра-ДНК вызывает массу новых вопросов, на которые трудно дать ответ. ДНК совершенно беспомощна без белков — она не может делиться и реплицироваться без особого белка-фермента. Значит, сначала — строительство этого белка-фермента? Но это, по той же догме, невозможно без информационной и 20 транспортных нуклеиновых кислот. А те, в свою очередь, требуют для своего биосинтеза новых ферментов — белков… Порочный круг разрастается. Получается, что первая ДНК должна быть уж очень сложной, включать в себя десятки кодовых распоряжений. Когда попробовали подсчитать вероятность возникновения такой ДНК, — ахнули. Времени существования Вселенной и всех ее атомов не хватало, чтобы осуществить такую вероятность — произвести случайно на свет одну-единственную молекулу ДНК. Значит, жизнь на Земле — это чудесная случайность или не менее чудесный чей-то разумный акт?..

Автор: А. Гангнус.