Переджиття: від білка до ДНК?

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Ось вже більше шістдесяти років, як вперше синтезований білок. Рахунок штучним біополімерам зростає, методи синтезу все вдосконалюються. Збуваються мрії поколінь хіміків. І вже важко здивувати жителя ХХІ століття новою перемогою над таємницями живої природи.

Швидше він здивується, якщо в ряду біохіміків, озброєних до зубів новітньою лабораторною технікою, помітить групу вчених, зайнятих дивною, на перший погляд, справою. У колбах і пробірках з простих, можна сказати, елементарних вихідних компонентів найпримітивнішими фізичними і хімічними впливами вони намагаються отримати органічні речовини, синтез яких давно вже не проблема. Ще більше він здивується, дізнавшись, що серед зайнятих цими «шкільними» дослідами — видатні, з світовим ім’ям біохіміки і що їх робота викликає пильний інтерес вчених всіх країн і різних спеціальностей — астрономів, геологів, фізиків.

Якщо ж цей житель ХХІ століття знайомий трішки з історією біохімії, то здивування його може не зменшитися, а зрости ще більше.

У 1897 році знаменитий біолог-дарвініст і філософ Е. Геккель заявив на багатолюдному зібранні німецьких вчених: «Якщо ви, хіміки, створите правильний білок, то він закопошиться!» Ці слова були зустрінуті оплесками, а вони були звернені до висхідної зірки органічної хімії — Еміля Фішера. Здавалося тоді, що варто вирішити проблему синтезу білка — і штучне життя, рукотворний організм оживуть в пробірці хіміка, «закопошиться».

Дива вимагали, його чекали — і ось десятки хіміків кинулися відкривати будову білка і навмання, наосліп намагатися отримати його штучно. І якщо перша частина цієї роботи йшла швидко і вже на рубежі століть були відкриті всі 20 цеглинок, що становлять білки, — 20 амінокислот, і їх майже відразу навчилися синтезувати, то зі зв’язуванням амінокислот в білковий ланцюжок справа застопорилася на півстоліття. Тобто зв’язуватися вони зв’язувалися, але білок не виходив. Виходили пептиди, набори амінокислот, в чомусь схожі з білками. Наприклад, як і білки, вони були гіркі на смак (амінокислоти — солодкуваті), могли перетравлюватися шлунковим соком. Але ні в кого не вистачило духу назвати їх білками — настільки очевидна була різниця. Спочатку думали, що справа тут в довжині ланцюга — пептиди були багато коротше білків. Почалася боротьба за довжину ланцюга.

І тоді Е. Фішер, лідер цієї гонки (у нього в 1907 році вийшов 18-членний пептид), виступив з рішучим засудженням «тотального синтезу білка». Навіть якщо в результаті сотень гарячкових дослідів навмання білок буде випадково отриманий, то цей результат дасть науці мізерно мало. Він порівняв хіміка з мандрівником по незвіданій країні, який може промчати через неї за допомогою швидкісного сучасного транспорту і досягти межі, не дізнавшись про країну майже нічого. Але він може подорожувати і зі змістом, за певною системою, не надто поспішаючи, силкуючись зрозуміти природу і звичаї країни. І навіть якщо прийде він до мети пізніше квапливого свого колеги, справжнім підкорювачем країни буде він.

Е. Фішер виявився правий. Шлях до синтезу білків відкрився лише після з’ясування матричної ролі нуклеїнових кислот. Саме ДНК і РНК. подібно інженеру, з кресленнями, можуть конструювати і будувати строго певну послідовність нескінченних ниток білка. Без цієї суворої визначеності найдовший ланцюг амінокислот буде залишатися просто ланцюгом амінокислот — пептидом. А не білком.

«А і Б сиділи на трубі. А упало, Б пропало, що залишилося на трубі? А залишилася на трубі «І»…» Ця дитяча загадка процитована… в журналі «Питання філософії» у статті академіка В. А. Енгельгардта, видатного біолога. Скажімо, живу людину, можна оцінити як суму численних А, Б, В — простих, елементарних речовин. Її можна оцінити як суму речовин більш високого рангу — білків, нуклеїнових кислот і т. д. І кожна така сума, якщо відкинути всі її складові, буде містити якесь «І», відсутнє у вихідному наборі. Все живе «копошиться», причому зі змістом, з метою. І адже весь цей різноманітний, доцільний світ народився з мертвого каменю, нудотних газів первинної земної атмосфери, води і сяйва сонячних променів. Як же це сталося?

І ось, змагаючись один з одним в простоті вихідного хімічного начиння, у максимальному наближенні до трохи можливих на первинній Землі хімічним і фізичним умовам, біохіміки отримують одну складну органічну речовину за іншою. Вуглеводні, жирні кислоти, порфірини — попередники гемоглобіну і хлорофілу, основи нуклеїнових кислот і, нарешті, амінокислоти — практично всі, навіть самі складні речовини живого світу, можна отримати примітивними, брутальними способами — наприклад, пропускаючи слабкі електричні розряди або ультрафіолет через первинну атмосферу — суміш аміаку, метану і води. Зараз цей етап тотального синтезу речовин преджиття можна вважати пройденим. Попереду — найважче. Білок, нуклеїнові кислоти, перше самовідтворення, розмноження, перша матриця, яка будує впорядковані надмолекули.

«Початок життя, — говорить Дж. Бернал, — це момент, коли життя перестало існувати як споживач попередньо запасеної енергії і стало безперервним само відтворюваним процесом».

Ряди штурмуючих загадку походження життя розбилися, як хвилі об раптово вирослу перед ними перешкоду. Це перешкода — знаменита «центральна догма молекулярної біології», сформульована видатними вченими, засновниками структури ДНК і лауреатами Нобелівської премії Дж. Уотсоном і Ф. Кріком:

ДНК—РНК—білок.

Інакше кажучи, біосинтез можливий лише в одному напрямку. Спочатку над якоюсь ділянкою гігантської молекули ДНК, як на матриці, збирається інформаційна РНК. Та з клітинного ядра, від ДНК йде в рибосоми — клітинні фабрики білка, де 20 — за кількістю амінокислот — транспортних РНК, цих вантажників клітини, починають підтягувати до інформаційної РНК кожен свою амінокислоту, укладають їх на неї, як на конвеєр, і з допомогою ферментів (теж білків!) «склеюють» нову білкову молекулу.

Правило, встановлене Уотсоном і Кріком для живої клітини, деякі вчені механічно перенесли в минуле, до моменту зародження життя. Так з’явилася проблема пра-ДНК. Минувши дещо більш прості і здійснимі стадії — РНК і білок, природа повинна була випадково скласти подвійну спіраль ДНК — неймовірно складну, досі непіддатну синтезу.

Така пра-ДНК і має, здавалося б, бути першим організмом на Землі. Але гіпотеза пра-ДНК викликає масу нових питань, на які важко дати відповідь. ДНК абсолютно безпорадна без білків — вона не може ділитися правильно без особливого білка-ферменту. Отже, спочатку — будівництво цього білка-ферменту? Але це, за тією ж догмою, неможливе без інформаційної і 20 транспортних нуклеїнових кислот. А ті, в свою чергу, вимагають для свого біосинтезу нових ферментів — білків… Порочне коло розростається. Виходить, що перша ДНК повинна бути дуже складною, включати в себе десятки кодових розпоряджень. Коли спробували підрахувати ймовірність виникнення такої ДНК, — ахнули. Часу існування Всесвіту і всіх його атомів не вистачало, щоб здійснити таку ймовірність — провести випадково на світло одну-єдину молекулу ДНК. Отже, життя на Землі — це чудова випадковість або не менш чудовий чийсь розумний акт?..

Автор: А. Гангнус.