Самовідтворення молекул вперше реалізовано у складному розчині
Мертві молекули розмножилися
Колись давно ДНК або її попередники мали самі собою зібратися з «супу» різних простих речовин. Дугласу Філпу вдалося повторити цей досвід у лабораторії. Його молекула, що самовідтворюється, і вихідна суміш куди простіше ДНК і «первородного супу», проте якщо вони не підійдуть для створення нового життя, то точно повинні знадобитися в нанотехнологіях.
Заглядаючи в глибини Всесвіту і не без успіху намагаючись відтворити перші миті її життя, ми досі лише будуємо гіпотези про те, як зародилося життя біологічне. Чому раптом серед широкого розмаїття біологічних молекул природа спирається в основному на лівоповоротні хіральні молекули амінокислот і правоповоротні молекули цукрів? Чому як сполучний місток між нуклеотидами ДНК природоюбула обрана фосфорна кислота, як молекули змогли побудуватися вдовгі ланцюжки?
Нітрони та малеіміди
Нітрони - клас хімічних сполук, з функціональною групою R1R2C=NR3 + O - де R3 відмінний від атома водню. Нітрони виходять окисненням атома азоту в молекулах імінів.
Малеімід - імід малеїнової кислоти з хімічною формулою H2C2(CO)2NH. У роботі Фпліпа використовуються його гомологи, в яких атом водню при атомі азоту замінено на вуглеводневий радикал.
Дуглас Філп з шотландського Університету Сент-Ендрюс у минулому вже показував усьому світу, як одна молекула органічної сполуки, що мимоволі утворюється в розчині з двох сполук класів нітронів і малеїмідів, може запускати послідовний автокаталітичний синтез аналогічних молекул. Проте називати суміш із двох сполук «перворідним супом» язик не повертається — це все одно, що вважати борщем суміш води тасолі.
Тепер у співпраці з Яном Садовником Філп продемонстрував, як ця молекула може каталізувати самореплікацію з набагато більшого набору вихідних матеріалів, і таким чином, що побічні продукти практично не утворюються.
Свої досягнення Дуглас Філппредставивна минулій нещодавно у Філадельфії нараді Американського хімічного товариства. Звичайно, за своєю складністю подібна система, що штучно самореплікується, далека від системи реплікації ДНК, проте вона показує здатність молекул до самоконтролю в ході відтворення собі подібних.
«Абіотичний суп» Філпа складається з 25 різних видів молекулярних комплексів, побудованих з невеликої кількості простих вихідних сполук — альдегідів, деякі з яких мають у своєму складі амідопіридинову групу, а також малеїмід.
Всі 25 комплексів можуть зазнавати взаємних перетворень до тих пір, поки в суміш не додається особливий малеімід. Він є компонентом для збирання одного з комплексів і дозволяє цій молекулі, вже описаній Філпом у попередній роботі , запустити автокаталітичний процес самореплікації.
Реплікація ДНК
процес синтезу дочірньої молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти, що відбувається у процесі поділу клітини на матриці батьківської молекули ДНК. При цьому генетичний матеріал, зашифрований у ДНК, подвоюється та ділиться між дочірніми клітинами.
У процесі самокопіювання подібні молекули за принципом компліментарності захоплюють із розчину окремі прості молекули, які є частинами для збирання копії комплексної молекули. Так як всі 25 комплексів існують у стані динамічної рівноваги з розчином їх складових частин, поступово і вони перетворюються в ході автокаталітичногопроцесу реплікації до комплексу Філпа.
Реплікація зупиняється, коли 93% вихідних будівельних блоків опиняються у складі молекули, що реплікується, — моделі для складання.
Нещодавно вченими було показано, що аналогічний механізм перетворення суміші молекул на молекули одного сорту міг лежати в основі відбору природою оптичних ізомерів на початковому етапі розвитку життя на Землі.
Справа в тому, що подібні молекули, що самозбираються і самореплікуються залежно від початкових умов, можуть послужити людям і в практичних додатках — для самозбирання необхідних молекул, що називається, на замовлення.
При цьому один і той же універсальний абіотичний суп у перспективі може служити для збирання і хімічних речовин, і цілих нанотехнологічних пристроїв, функціональність яких також можна буде налаштовувати та задавати, додаючи у вихідне співвідношення компонентів один або два типи надлишкових молекул.
Чи прийде людство в результаті такого пошуку до тих же молекул ДНК, які вже не перший мільярд років успішно використовує природа, або навчиться використовувати їх на свій розсуд, покажуть найближчі десятиліття.