Альтернативная биохимия на тех же элементах

Как мы видим, реальной альтернативы углероду, кислороду и азоту не существует. Но, может быть, на основе этих же элементов возможна другая биохимия, непохожая на земную? Такое исключить нельзя. Возможны, например, другие растворители, кроме воды, и в них неизбежно будет совсем другая биохимия. Единственное действительно уникальное свойство воды – меньшая плотность льда по сравнению с жидкой водой. Благодаря этому водоемы зимой замерзают с поверхности, и потом слой льда замедляет потерю тепла и предотвращает полное промерзание. В озерах из других жидкостей при охлаждении твердое вещество будет тонуть, и полное промерзание наступит быстро. С точки зрения обитателей озера эта особенность воды очень полезна. Но для биосферы в целом, наоборот, такое поведение воды вредно. Лед на поверхности озер и морей отражает солнечный свет гораздо лучше, чем вода, что приводит к дополнительному остыванию планеты. Поэтому наступление ледников – самоподдерживающийся процесс. Если бы вместо воды наши моря состояли из любой другой жидкости, то климат планеты Земля был бы устойчивее.

Очевидный кандидат на замену воды – жидкий аммиак. Его молекулы тоже полярны и образуют много водородных связей, он остается жидким в широком диапазоне температур (от –78 до –33 °C при обычном давлении) и хорошо растворяет разные полярные вещества. В аммиачном растворе биохимия неизбежно будет другой, так как карбонильные (С=О) группы, очень важные для нашей земной биохимии, в аммиаке быстро превращаются в иминогруппы (C=NH). В среде аммиака иминогруппы обеспечивают такие же перестройки углеродных скелетов, как C=O в воде. Аммиак по сравнению с водой имеет тот недостаток, что в нем гораздо лучше растворяются неполярные молекулы. Поэтому липидные мембраны, ограничивающие наши клетки в водной среде, в аммиаке будут работать плохо.

Если мы посмотрим на нашу Солнечную систему, то увидим, что, в отличие от воды, аммиак в чистом виде в ней не встречается. Везде, где есть много аммиака, он смешан с водой и часто еще с метаном, будь то бездонные океаны Урана и Нептуна, ледяные кометы, спутники дальних планет и объекты пояса Койпера. На Титане водяной лед содержит 10–15 % аммиака. Под ледяной корой Титана находится глубокий водно-аммиачный океан. Водно-аммиачная смесь по нескольким признакам лучше подходит для биохимии, чем чистый аммиак. По сравнению с ним она замерзает при еще более низких температурах (до –96 °C) и не растворяет углеводороды, поэтому в ней возможно существование липидных мембран, как и в воде. В водно-аммиачной смеси реакции обмена веществ могут происходить с помощью как С=О групп, так и C=NH, что допускает бó льшую гибкость, чем наша земная биохимия.

Еще один возможный растворитель – серная кислота. Она замерзает при +10 °C и кипит при +290 °C, прекрасно растворяет разные вещества и встречается в космосе в чистом виде, например в облаках Венеры. На поверхности планет, потерявших воду аналогично Венере, но более прохладных, возможно существование жидкой серной кислоты. В серной кислоте достаточно легко идут разные химические реакции, и роль карбонильной группы С=О в ней может играть просто двойная связь между атомами углерода: С=СН₂ (рис. 12.6).

Хотя мы не можем предсказать, какие молекулы будут использоваться живыми существами в аммиаке или серной кислоте, понятно, что наши азотистые основания не подойдут для генетических полимеров в такой среде. Уотсон-криковские пары образуются только в нейтральной среде (pH от 6 до 9). В кислой среде к аминогруппам (NH₂) аденина и цитозина присоединяются протоны, дающие положительный заряд, а в щелочной среде, наоборот, гуанин и урацил теряют протоны и получают отрицательный заряд на месте карбонильной группы (С=О). И то и другое нарушает водородные связи между основаниями и делает эти основания непригодными для хранения генетической информации. Поэтому все микробы, населяющие сильнокислые или щелочные среды на Земле, поддерживают внутри клетки нейтральный pH, даже если на это уходит много энергии.

Еще воду можно заменить жидкой углекислотой. При обычном давлении она не существует (сухой лед сразу переходит в газ, минуя жидкую стадию), но при повышении давления становится жидкостью. При давлении 70 атмосфер СО₂ остается жидким в диапазоне температур от –50 до +31 °C, а при более высоких температурах и уровнях давления переходит в сверхкритическое состояние. Сверхкритическое состояние вещества наступает при температуре и давлении выше критической точки (для СO₂ это 31 °C и 74 атмосферы, для воды – 374 °C и 218 атмосфер), оно сочетает плотность жидкости и подвижность газа и растворяет разные вещества гораздо активнее, чем обычная жидкость.

Жидкая углекислота растворяет многие вещества не хуже воды. Более того, она во многом совместима с существующей биохимией. Например, липазы и ряд других ферментов в сверхкритическом СО₂ работают даже активнее, чем в водной среде, и в биотехнологии это свойство уже нашло применение. Хотя сверхкритический СО₂ используется для мягкой стерилизации пищевых продуктов, его антибактериальное действие связано только с растворением клеточных мембран. Ни белки, ни нуклеиновые кислоты в СО₂ не страдают. Известны штаммы плесени и бактерий (например, Pseudomonas putida), которые благодаря особому составу липидов устойчивы к некоторым органическим растворителям. Они сохраняют жизнеспособность и в сверхкритическом СО₂ (Budisa и Schulze-Makuch, 2014).

Как оказалось, существуют природные микробные сообщества, приспособленные к жизни в жидкой углекислоте. На дне Окинавского желоба (Восточно-Китайское море) были найдены гидротермальные поля, на которых из недр на поверхность дна выходит жидкий СО₂. Японские океанологи, исследуя этот район, обнаружили на поле Йонагуни Кнолл IV на глубине 1380 м целое озеро жидкого СО₂, скрытого в толще осадков на морском дне (Inagaki et al., 2006). Диаметр озера достигает 200 м, толщина слоя жидкого СО₂ – около 30 см, температура – от +3 до +10 °C. В пропитанных СО₂ неконсолидированных глинистых осадках над озером обитает разнообразное микробное сообщество с численностью до 1 млрд клеток на 1 см³, которое питается, окисляя идущий снизу метан и сероводород. В толще углекислотного озера есть те же самые микробы, но их численность меньше. Так что среда жидкого СО₂ вполне совместима с жизнью, и она может иметь много общего с привычной нам жизнью в водной среде. Если на Земле жидкий СО₂ встречается в отдельных местах на глубине, то на более массивной планете («суперземля»), получающей меньше солнечного тепла, возможны океаны жидкого СО₂ с небольшой примесью воды на поверхности. Жизнь на такой планете может использовать белки и нуклеиновые кислоты, похожие на земные, но иметь совершенно другие материалы клеточных мембран.

Еще один возможный альтернативный растворитель – формамид (NH₂CHO). Этот органический растворитель достаточно безопасен для живых клеток. Он даже используется в смесях для криоконсервации тканей и клеток, так как защищает их мембраны от разрыва ледяными кристаллами. Формамид легко образуется при взаимодействии синильной кислоты с водой. Он остается жидким при температурах от +3 до +220 °C, и по удельной теплоте испарения сравним с водой. Формамид растворяет большинство веществ, растворимых в воде. Как мы помним по предыдущим главам, очень вероятно, что наша земная жизнь делала самые первые шаги не в воде, а в водно-формамидных растворах. Можно себе представить планету, на которой формамид образует не только маленькие лужицы, но и озера, и моря. Жизнь в такой среде может иметь те же азотистые основания, что и у нас, но, скорее всего, другой набор аминокислот и другие клеточные мембраны.

Альтернативные варианты биохимии на древней Земле. Ксенонуклеиновые кислоты

Мир РНК, который мы рассматривали в предыдущих главах, тоже является альтернативным вариантом биохимии по сравнению с современной земной жизнью. В самом деле, мир РНК не использует белки, которые стали важнейшей и неотъемлемой частью современной биохимии. Однако РНК не очень устойчива, а ее получение полностью абиогенным путем (без участия каких-то ферментов белковой, РНК или другой природы) очень сложно и наталкивается на много препятствий, часть которых была преодолена совсем недавно, а другие остаются актуальными до сих пор.

Многие ученые пошли дальше и предположили, что миру РНК тоже предшествовала какая-то другая, более простая жизнь, использующая другие молекулы. Эти предшественники РНК должны были легче получаться абиогенно и обладать большей устойчивостью по сравнению с РНК. Чтобы хранить генетическую информацию и со временем уступить место РНК, эти молекулы должны были содержать те же азотистые основания, что и РНК, или хотя бы совместимые с ними по комплементарным парам, а остов этих молекул должен допускать их соединение с РНК в двойную спираль, состоящую из двух химически различных цепей (такая конструкция называется «гетеродуплекс»). Молекулы, удовлетворяющие этим требованиям, получили название «ксенонуклеиновые кислоты».

В разделе «Пребиотическая химия альтернативных нуклеиновых кислот» (Cleaves II and Bada, 2012) сборника «Бытие – что было в начале» (Genesis – In the Beginning) собрана информация о свойствах различных ксенонуклеиновых кислот и об их возможных образованиях на древней Земле. Идеи о замене азотистых оснований, хотя и высказывались, но не получили широкого распространения. Во-первых, стандартные азотистые основания легко и с высоким выходом получаются абиогенно (из синильной кислоты или из формамида) и достаточно устойчивы для накопления. Во-вторых, альтернативные азотистые основания, как правило, несовместимы со стандартными, а для тех, что совместимы, сложно найти какие-то преимущества по сравнению с обычным набором. В-третьих, высокая устойчивость к ультрафиолету (см. главу 6) уникальна для стандартных оснований и не встречается ни у каких их аналогов.

По этим причинам сейчас серьезно обсуждаются только два варианта расширения (не замены) набора азотистых оснований. Первым таким кандидатом в древние азотистые основания РНК является никотинамид, производное витамина РР, входящий в состав кофермента НАД. Как обсуждалось в главе 10, никотинамид в НАД связан с рибозой и фосфатом как обычное азотистое основание и придает рибозимам новые полезные свойства. В составе генетической молекулы никотинамид может замещать гуанин, образуя пару с цитозином (Liu and Orgel, 1995). Другое возможное дополнение к набору азотистых оснований – группа предшественников аденина и гуанина. Это прежде всего аминоимидазол-карбоксамид-риботид (AICAR), который получается как промежуточный продукт в ходе их синтеза. Эта молекула содержит пятичленное имидазольное кольцо с двумя атомами азота (рис. 12.7) и в составе РНК образует комплементарную пару с аденином (Bernhardt, Sandwick, 2014). AICAR является предшественником не только пуринов, но и важной аминокислоты – гистидина. Чаще всех других аминокислот гистидин встречается в активных центрах ферментов, и AICAR, сходный с ним по строению, мог выполнять аналогичные функции в древних рибозимах. AICAR образуется в небольших количествах при нагревании и облучении формамида, наряду со стандартными азотистыми основаниями. Иначе говоря, расширение набора азотистых оснований имеет смысл для улучшения каталитических свойств РНК, но при этом для хранения наследственной информации стандартный набор А, Г, Ц, У, по-видимому, лучший из всех веществ, которые были доступны на древней Земле.

Почему для хранения наследственной информации используются четыре вида азотистых оснований, а не два, шесть или восемь? Как мы помним из главы 6, синтетические азотистые основания позволяют расширить алфавит ДНК до шести букв. Более того, получены синтетические основания, образующие пару только сами с собой, и с ними можно получить алфавит с нечетным числом знаков, например, три или пять. Возможно, дело в устойчивости к ультрафиолету: в природе только четыре основания оснований оказались устойчивыми. Но почему природа не ограничилась двухбуквенным алфавитом?

Как обсуждается в обзоре Эёша Шатмари (Szathmary, 2003), двухбуквенный алфавит можно копировать более точно, чем четырехбуквенный. Четыре азотистых основания отличаются двумя параметрами: размером (A и Г большие, Ц и T маленькие) и положением водородных связей. Размер – более важное различие. Замены основания на другое такого же размера (A на Г или Ц на T) в геномах большинства организмов происходят от двух до пяти раз чаще, чем замены с изменением размера. Синтез четырех нуклеотидов требует больше ферментов, чем двух. Для точного копирования ДНК концентрации всех нуклеотидов в клетке должны быть по возможности равными. Поддерживать равные концентрации четырех нуклеотидов сложнее, чем двух. Получается, что для основной современной функции ДНК – хранения информации о последовательности белков – четырехнуклеотидный алфавит подходит хуже, чем двухнуклеотидный.

Четырехнуклеотидный алфавит оказывается лучше, чем все прочие, когда дело доходит до образования шпилечной структуры РНК. Математическое моделирование показывает, что РНК-подобная молекула с двумя типами оснований, как правило, имеет множество вариантов сворачивания в различные шпилечные структуры. Для РНК с четырьмя типами оснований обычно есть одна или две устойчивые структуры (Valba et al., 2012). Эксперименты с созданием рибозимов из РНК с ограниченным выбором нуклеотидов (три или даже два из четырех) это подтверждают: при меньшем разнообразии звеньев рибозимы возникают с меньшей вероятностью, и их эффективность ниже, чем у четырехнуклеотидных аналогов (Reader and Joyce, 2002).

⇐ Предыдущая33343536373839404142Следующая ⇒

Поделиться: