У чому полягає нова ідея?

В основі всього сучасного життя лежить циклічний процес за участю двох типів полімерів: нуклеїнових кислот та білків. Розуміння того, як ці структури могли виникнути шляхом неферментативного синтезу та об'єднатись у протоклітини, є ключовим для розгадки таємниці походження життя. Гіпотеза "світу РНК" припускає, що перші живі системи використовували цей полімер одночасно і для збереження генетичної інформації, і як каталізатор для прискорення хімічних реакцій, пише 24 Канал.

Дивіться також Нове царство на дереві життя: учені відкрили організм, який не вписується в жодні класифікації

Ідея дослідити вулканічні гідротермальні поля як колиску життя виникла під час експедиції до вулкана у 2004 році. У гарячій кислотній воді з температурою близько 80 градусів Цельсія спостерігалися цікаві хімічні перетворення. Наприклад, додана до води міристинова кислота за лічені хвилини утворювала білу піну навколо країв басейну – це було пряме свідчення самозбирання мембранних везикул у природних умовах, що імітують стародавню Землю.

Головним механізмом синтезу полімерів стали так звані цикли зволоження й висихання. Коли вода в невеликих басейнах випаровується, розчинені в ній мономери концентруються і формують тонку органічну плівку на поверхні мінералів. У процесі дегідратації (конденсації) молекули води витісняються, що призводить до утворення ефірних зв'язків, які з'єднують мономери в довгі ланцюги нуклеїнових кислот. Це фактично зворотний процес до гідролізу, який зазвичай розщеплює полімери у водному середовищі.

Секвенування ДНК по-новому

Для перевірки цієї теорії було застосовано революційний метод – нанопорне секвенування, яке колектив авторів описав у журналі Astrobiology. Спочатку вчені використовували біологічну пору альфа-гемолізин, яка створює канал діаметром лише 2 нанометри в ліпідній мембрані. Прикладена напруга в 120 мілівольт викликає рух іонів калію та хлору через пору, створюючи іонний струм силою приблизно 120 пікоампер. Коли крізь такий канал проходить одиночна молекула нуклеїнової кислоти, вона блокує до 90 відсотків струму.

Тривалість та амплітуда цих блокад дають безцінну інформацію про молекулу: її довжину, склад нуклеотидних основ та навіть внутрішню динаміку, як-от розгортання спіралей. Хоча перші пори дозволяли аналізувати лише гомополімери, сучасні секвенатори, як-от PromethION, здатні розрізняти всі чотири типи основ з точністю 99,75 відсотка.

Це справжній технологічний прорив, враховуючи, що перший геном людини секвенували протягом 13 років зусиллями 20 лабораторій, витративши на це 2 мільярди 700 мільйонів доларів. Сьогодні ж той самий обсяг роботи виконується трохи більше ніж за 5 годин.

Проривний результат

Експерименти підтвердили, що багаторазове повторення циклів зволоження та висихання дозволяє синтезувати олігомери довжиною від 10 до понад 100 нуклеотидів без участі будь-яких ферментів. Використання мас-спектрометрії та сучасного секвенування дозволило остаточно відкинути сумніви скептиків, довівши, що отримані ланцюги є справжніми молекулами ДНК та РНК.

Цікаво, що суміші різних нуклеотидів іноді не просто змішуються, а сортуються у специфічні гомополімерні послідовності, що дає підказки щодо хімічних механізмів ранньої еволюції.

Виклики

Одним із викликів для такого синтезу є пошкодження нуклеотидів у гарячому кислому середовищі. Наприклад, дезоксиаденозинмонофосфат втрачає до 80 відсотків своєї структури лише за два цикли через процес депуринізації.

Проте наявність ліпідів діє як захист, практично повністю зупиняючи руйнування молекул. Це створює умови для "гонки з часом", де швидкість синтезу полімерів має перевищувати швидкість їхнього розпаду до встановлення динамічної рівноваги.

Що це нам дає?

У майбутньому нанопорний аналіз може стати ключовим інструментом для пошуку життя на інших планетах. Якщо на ранньому Марсі існували умови, подібні до земних, марсіанське життя могло залишити після себе полімери, схожі на нуклеїнові кислоти.

Використання твердотільних нанопор, пробурених у синтетичних мембранах, дозволить створити витривалі прилади, здатні витримати переліт через космос та жорстку посадку. Такі пристрої могли б шукати лінійні поліаніони в зразках льоду, прихованих під поверхнею Марса, що стало б остаточним підтвердженням паралельного розвитку життя на двох планетах.