Лабораторный биосинтез

Главная > Естествознание > Биология > Биогенез > Биогенез
ДНК - кристалл жизни

"Зародившись однажды в адских условиях, жизнь с той поры пытается найти дорогу в рай..."

Теория и эксперименты по созданию живых существ "в пробирке".

Разделы страницы о попытках лабораторного моделирования жизни:


Попытки моделирования возникновения жизни

Советский академик Опарин

Согласно А.И.Опарину, архейская атмосфера содержала СН4, NH3, H2 и пары Н2О, то есть имела атомы Н, С, N и О, а атомы Р в составе фосфат-ионов были растворены в океанской воде. Все виды живой материи состоят из этих 5 химических элементов с примесями некоторых других атомов. А.И.Опарин предложил схему эксперимента чтобы доказать, что биологически активные вещества могут получиться из СН4, NH3, H2, Н2О и фосфатов под действием электрических разрядов.

Более 50 лет назад такие опыты начали выполнять С.Миллер и Г.Юри и другие. Они из смеси аммиака, метана и водорода (предполагаемый состав древней атмосферы Земли), пропуская через нее электрические разряды, имитировавшие молнии получали простые органические вещества и простейшие аминокислоты, но ни рибозы, ни азотистые основания не были синтезированы.

Однако, плотность электрических разрядов у них была очень велика по сравнению с реальной в древней атмосфере Земли. Но тут следует учесть, что молнии были далеко не единственными производителями органики на древней Земле. На сегодняшний день известны еще по крайней мере две надежные, реально работающие «фабрики» абиогенной органики: космос и гидротермальные источники. Кроме того, согласно новым геологическим данным, полученным к 1990-м годам, в атмосфере древней Земли было много углекислого газа, который не входил в состав газовой смеси в опытах Стенли Миллера. В присутствии CO2 синтез аминокислот из неорганических газов поначалу идти не хотел. Эту проблему удалось преодолеть в 2008 году Кливсу и его коллегам. Они обнаружили, что молнии все-таки могут стимулировать синтез аминокислот в газовой смеси, содержащей CO2, если туда добавить некоторые дополнительные вещества, которые вполне могли присутствовать в первичной атмосфере.

Следует также упомянуть эксперимент Дж.Оро и С.Камата, которые синтезировали простые аминокислоты и N-основания в водных растворах NH3 и HCN под действием электрических разрядов. Однако состав архейских морей, видимо, существенно отличался от их растворов.

Проблемы биосинтеза и выход из них

Однако, гипотеза А.И.Опарина [и других экспериментаторов биосинтеза] не объясняет:

  1. почему при образовании N-оснований не происходили реакции замещения и присоединения в их боковых группах (то есть почему N-основания ограничены в размерах);
  2. почему молекулы ДНК и РНК — это регулярные последовательности N-оснований, рибоз и фосфатных групп;
  3. почему все молекулы нуклеиновых кислот сходны по химическому составу и структуре, но имеют определенные различия,
  4. и многое другое.

Тем не менее, начиная с 80-х годов XX века, когда были открыты каталитические (ферментативные) функции РНК, именно этот класс молекул по праву считается главным кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Скорее всего, первыми репликаторами были молекулы РНК, катализирующие синтез собственных копий. Однако между РНК и простыми органическими соединениями, возникающими в результате абиогенного синтеза, оставалась незаполненная брешь. Биохимикам до сих пор не удалось подобрать реалистичные условия, в которых из готовых «строительных блоков» — азотистых оснований, рибозы и фосфорной кислоты, которые могли возникнуть абиогенным путем, — сами собой синтезировались бы рибонуклеотиды. На сегодняшний день удалось нащупать два пути решения этой проблемы:

  1. Первый из них основан на предположении, что изначально в роли «вещества наследственности» выступали не РНК, а другие нуклеиновые кислоты, которые в ходе дальнейшей эволюции были замещены привычными нам РНК. Кандидатами на роль таких молекул являются искусственно синтезированные, не встречающиеся в живой природе ПНК (Peptide nucleic acid), ТНК (Threose nucleic acid) и ГНК (Glycerol nucleic acid). Эти молекулы, с одной стороны, легче синтезируются абиогенным путем, чем РНК, с другой — вполне способны выполнять роль «вещества наследственности».
  2. Второй обходной путь разрабатывается химиком Джоном Сазерлендом (John Sutherland) и его коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они обнаружили, что синтезировать РНК куда легче не из готовых крупных блоков — сахаров и азотистых оснований — а из более простых органических молекул, таких как формальдегид. Возможно, в ходе химической эволюции между простейшими органическими веществами и РНК вовсе не было промежуточного этапа накопления сахаров и азотистых оснований.

Из оставшихся загадок ключевое значение имеет проблема появления у молекул РНК способности к самовоспроизведению, однако и эта проблема постепенно решается. Важный шаг здесь сделали Трейси Линкольн и Джеральд Джойс - им удалось подобрать несколько пар молекул РНК с каталитической активностью (рибозимов), которые успешно реплицируют (синтезируют копии) друг друга.

При такой взаимной репликации популяция рибозимов, при наличии ресурсов, может расти в геометрической прогрессии: за 30 часов - в 100 млн. раз! Более того, заставив несколько разных пар размножающихся рибозимов конкурировать друг с другом за субстрат, исследователи вынудили их начать дарвиновскую эволюцию. В результате спонтанных мутаций и естественного отбора появились рекомбинантные рибозимы с повышенной скоростью размножения.

Однако, проблема самовоспроизведения РНК до конца не решена: размножающиеся пары рибозимов не могут использовать в качестве исходного материала для сборки новых молекул РНК отдельные рибонуклеотиды: они пока умеют работать лишь с олигонуклеотидами, т.е. с длинными фрагментами РНК, состоящими из многих рибонуклеотидов.

[Может быть, половой отбор возник изначально как пара нулкеотидов - катализаторов друг друга, а не самих себя?]

Новости неорганического биосинтеза

Новости по экспериментальному синтезу биологических молекул.


Главная > Естествознание > Биология

Биогенез: Свойства живого | Гипотезы происхождения жизни | Алтернативная биохимия | Лабораторный биосинтез

На правах рекламы (см. условия):    


© «Сайт Игоря Гаршина», 2002, 2005. Пишите письма (Письмо И.Гаршину).
Страница обновлена 07.05.2017
Я.Метрика: просмотры, визиты и хиты сегодня