Как кальций раскрыл истоки молекулярной асимметрии жизни?⁠⁠

Новое исследование, проведенное исследователями Института науки в Токио (ELSI), обнаружило удивительную роль кальция в формировании самых ранних молекулярных структур жизни. Их результаты предполагают, что ионы кальция могут избирательно влиять на то, как формируются примитивные полимеры, что проливает свет на давнюю загадку: как молекулы жизни начали предпочитать единую "руку" (хиральность).

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Как и наши левая и правая руки, многие молекулы существуют в двух зеркальных формах. Тем не менее, жизнь на Земле имеет поразительное предпочтение: сахара ДНК правосторонние, в то время как белки состоят из левосторонних аминокислот. Это явление, называемое гомохиральностью, является необходимым для жизни, как мы ее знаем, но то, как оно впервые возникло, остается загадкой.

Команда исследователей изучила тартаровую кислоту (TA), простую молекулу с двумя хиральными центрами, чтобы исследовать, как окружающая среда ранней Земли могла повлиять на формирование гомохиральных полимеров. Они обнаружили, что кальций значительно изменяет способ связывания молекул TA.

Без кальция чистые левосторонние или правосторонние молекулы TA легко полимеризуются в полиэстеры, но смеси, содержащие равные количества обеих форм, не образуют полимеры. Однако в присутствии кальция эта картина меняется — кальций замедляет полимеризацию чистой TA, позволяя смешанным растворам полимеризоваться.

"Это предполагает, что доступность кальция могла создать условия на ранней Земле, где гомохиральные полимеры были предпочтительнее," говорит Чен Чен, специальный постдокторант в Центре устойчивых ресурсных наук RIKEN.

Исследователи предполагают, что кальций вызывает этот эффект через два механизма: связываясь с TA для формирования кристаллов кальций тартрата, которые избирательно удаляют равные количества как левосторонних, так и правосторонних молекул из раствора; и изменяя химию полимеризации оставшихся молекул TA. Этот процесс мог усилить небольшие дисбалансы в хиральности, в конечном итоге приводя к однородной хиральности, наблюдаемой в современных биомолекулах.

Что делает это исследование особенно интригующим, так это его предположение, что полиэстеры, образованные из таких молекул, как тартаровая кислота, могли быть среди самых ранних гомохиральных молекул жизни, даже до РНК, ДНК или белков.

Результаты также подчеркивают, как различные условия на ранней Земле могли повлиять на то, какие типы полимеров образовывались. Условия с низким содержанием кальция, такие как некоторые озера или пруды, могли способствовать образованию гомохиральных полимеров, в то время как кальций-содержащие среды могли способствовать образованию полимеров с смешанной хиральностью.

Это исследование объединяет несколько научных областей — биофизику, геологию и материаловедение — чтобы изучить, как простые молекулы взаимодействовали в динамичных предбиотических условиях. Исследование также является результатом многолетнего междисциплинарного сотрудничества, объединяющего исследователей из семи стран.

"Мы столкнулись с трудностями в интеграции всех сложных химических и биофизических анализов," говорит руководитель проекта Жуйцин И из Гуанчжоуского института геохимии, Китайская академия наук.

"Но благодаря усердной работе и преданности нашей команды мы обнаружили увлекательную новую деталь в головоломке происхождения жизни."

Это исследование углубляет наше понимание начала жизни на Земле и предполагает, что аналогичные процессы могут иметь место на других планетах, помогая ученым в поисках жизни за пределами нашего мира.