Eines der wichtigsten wissenschaftlichen Probleme, an denen Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten, ist der Ursprung des Lebens auf der Erde. In den letzten Jahrzehnten wurden auf diesem Gebiet viele Erfolge erzielt, beispielsweise wurde das Konzept der RNA-Welt entwickelt. Es ist jedoch noch nicht bekannt, wie genau die Moleküle entstanden sind, die als erste "Bausteine" des Lebens dienten. Die Zeitschrift Science veröffentlichte einen Artikel, der die vielleicht wichtigste Frage beantwortet: Woher stammen die Nukleotide, aus denen die RNA besteht? "Lenta.ru" enthüllt die Details der Studie und spricht über ihre Bedeutung.
Nach modernen wissenschaftlichen Konzepten entstand das Leben aus organischen Verbindungen, die miteinander reagierten, um Schlüsselmoleküle zu bilden - Nukleoside. Es ist bekannt, dass das Nukleosid aus der Zucker-Ribose oder Desoxyribose und einer von fünf stickstoffhaltigen Basen gebildet wird: Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin oder Uracil. Nukleoside sind Vorläufer von Nukleotiden, aus denen wiederum DNA und RNA bestehen. Damit aus einem Nukleosid ein Nukleotid wird, ist eine zusätzliche Komponente erforderlich - Phosphorsäurereste.
Warum treten Nukleoside in den Vordergrund? Diese Frage wird durch ein wissenschaftliches Konzept beantwortet, das als Hypothese der RNA-Welt bekannt ist und glaubt, dass es die RNA war, die am Ursprung des Lebens stand. Die Moleküle der Ribonukleinsäuren waren die ersten, die die Katalyse chemischer Reaktionen in der Primärbrühe durchführten, lernten, sich selbst und einander zu kopieren und vor allem erbliche Informationen zu tragen. Diese RNAs werden Ribozyme genannt. Wenn ein RNA-Molekül die Fähigkeit hatte, seine eigenen Kopien zu synthetisieren, wurde diese Eigenschaft von Generation zu Generation weitergegeben. Manchmal war das Kopieren mit Fehlern verbunden, wodurch neue RNAs Mutationen erwarben.
Mutationen könnten die katalytischen Eigenschaften von Molekülen ernsthaft beeinträchtigen, aber auch die RNA verändern und ihr neue Fähigkeiten verleihen. Zum Beispiel haben Wissenschaftler herausgefunden, dass einige Mutationen den Selbstkopierprozess beschleunigen und die veränderten Ribozyme nach einer Weile beginnen, die "normalen" zu dominieren. Molekularbiologen unter der Leitung von Brian Pegel vom Scripps Research Institute in Kalifornien haben beobachtet, wie sich die enzymatische Aktivität von Ribozymen während einer dreitägigen Evolution in einem Labor um das 90-fache erhöhte. Selbst wenn Ribozyme anfangs nicht sehr aktiv wären, könnte die molekulare Evolution sie daher zu idealen katalytischen Maschinen machen.
Dennoch stößt die Hypothese der RNA-Welt auf eine Reihe von Schwierigkeiten. Beispielsweise ist nicht bekannt, wie die abiogene, dh ohne die Beteiligung lebender Organismen, Synthese der ersten Ribozyme stattfinden könnte. Während viele Argumente für die RNA-Welt gefunden wurden, bleibt die Schlüsselfrage - wie sie zustande kam - ein Stolperstein.
Einige Wissenschaftler vermuten, dass die chemischen Verbindungen, aus denen Nukleoside gebildet wurden, nicht unter terrestrischen Bedingungen entstehen konnten, sondern aus dem Weltraum auf den Planeten gebracht wurden. Es ist jedoch erwähnenswert, dass das Problem mit Purinnukleosiden verbunden ist - Adenosin und Guanosin, die Adenin bzw. Guanin enthalten. Für Pyrimidinmoleküle, die Cytosin, Thymin oder Uracil enthalten, sind Synthesewege bekannt, die am Ursprung des Lebens existieren könnten. Dominoähnliche chemische Reaktionen führen zur Bildung großer Mengen der benötigten Pyrimidine.
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Wissenschaftler haben einen möglichen Weg für die Bildung von Purinnukleosiden vorgeschlagen, der jedoch zum Auftreten vieler anderer Verbindungen führen kann, von denen die erforderlichen Nukleoside nur einen kleinen Anteil ausmachen würden. Das einfache Abbürsten von Purinen funktioniert nicht, da sie nicht nur integrale Bestandteile von RNA und DNA sind, sondern auch Adenosintriphosphat (ATP) bilden, das am Stoffwechsel von Energie und Substanzen im Körper beteiligt ist, und Guanosintriphosphat, das als Energiequelle für die Proteinsynthese dient.
Ein einfacher Weg, ein Nucleosid wie Adenosin zu bilden, besteht darin, Adenin mit Ribose in Gegenwart von NH 4 OH zu kombinieren. Ribose bindet an eines der Adenin-Stickstoffatome, nur es hat mehrere davon, und nur Stickstoff in der neunten Position sollte an der Synthese von Adenosin teilnehmen. Außerdem stellt sich heraus, dass dieses Stickstoffatom nicht sehr reaktiv ist. Dies bedeutet, dass, wenn die Hypothese der RNA-Welt richtig ist (was mehr als wahrscheinlich ist), es eine andere Möglichkeit geben muss, Adenosin und Guanosin in der Primärbrühe zu synthetisieren.
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler einen anderen Weg für die Synthese von Purinnukleosiden vorgeschlagen, der das Problem löst und die Position des Konzepts der RNA-Welt stärkt. Alles beginnt mit Aminopyrimidinmolekülen, die leicht aus einer so einfachen Verbindung wie NH4CN gebildet werden können. Dies geschieht durch die Bildung von Guanidin, es reagiert dann mit Aminomalonitril, was zur Bildung eines Tetraaminopyrimidinmoleküls führt. Es oxidiert leicht in einer sauerstoffhaltigen Umgebung, bleibt jedoch in der sauerstofffreien Atmosphäre, die vor der Geburt des Lebens für die Erde charakteristisch war, stabil. Zusätzlich zu Tetraaminopyrimidin können andere ähnliche Moleküle gebildet werden: Triaminopyrimidinon und Triaminopyrimidin. Alle diese Verbindungen sind in Wasser leicht löslich.
Am wichtigsten ist, dass für alle drei Aminopyrimidine nur ein bestimmtes Stickstoffatom reaktiv ist, und dies löst das Problem der Beteiligung an der Reaktion anderer Atome, das für Adenin charakteristisch ist. Die angesäuerte Umgebung führt dazu, dass Stickstoffatome im Ring Protonen binden und alle externen Aminogruppen blockieren, mit Ausnahme einer an der fünften Position. Wenn ein Gemisch aus Aminopyrimidinen und Ameisensäure erhitzt wird, wird nur eine mögliche Verbindung gebildet - Formamidopyrimidin. Die Reaktionsausbeute beträgt 70 bis 90 Prozent.
Formamidopyrimidin weist trotz seiner Ähnlichkeit mit Purinen keine Nachteile auf. Wie sich herausstellte, ist das Stickstoffatom an der neunten Position am reaktivsten, und die Reaktion mit Ribose in einem alkalischen Medium führt immer zum gleichen Ergebnis: der Synthese von Kohlenstoffgerüsten für Purinnukleoside. Interessanterweise ist Formamidopyrimidin aktiv an der Bildung von Ribose aus Glykolaldehyd und Glycerinaldehyd beteiligt, was die Synthese von Nukleosiden in einer Ammoniakumgebung erleichtert. Im Allgemeinen ist es Wissenschaftlern gelungen, einen Weg zur Bildung von Nukleotidvorläufern aus den einfachsten Ammoniakderivaten zu finden. Solche Derivate wurden kürzlich auf dem Kometen Churyumov-Gerasimenko gefunden, was den Standpunkt über die aktive Beteiligung von Kometen an der Versorgung der Erde mit allem, was für die Entstehung des Lebens notwendig ist, bestätigt.
Die chemische Evolution wirft jedoch viel mehr Fragen auf, und um sie zu beantworten, müssen sich Forscher auf der ganzen Welt bemühen. Ein vollständiges Bild der Abiogenese sollte nicht nur die Entstehung von Nukleotiden und anderen organischen Molekülen ohne Beteiligung lebender Organismen beschreiben, sondern auch deren Wechselwirkung unter den Bedingungen der frühen Erde, die zur Bildung der ersten Zellen führte.
Alexander Enikeev
