Спонтанне приєднання фосфору до органічних молекул термодинамічно невигідне, проте можливо, якщо процес відбувається не в розчині, а в мікрокаплях, показали хіміки зі Стенфорда. Вченим вдалося відтворити в мікрокаплях процеси, які, можливо, лежали в основі абіогенезу перших молекул РНК - неферментативного фосфорилювання рибози і утворення рібонуклеозиду. Роботу опубліковано в журналі.
Фосфорилювання є однією з ключових реакцій в живих клітинах. Фосфор входить до складу нуклеїнових кислот (РНК і ДНК), багатьох ліпідів у складі клітинної стінки, активність безлічі внутрішньоклітинних білків регулюється шляхом фосфорилювання. У клітинах всі ці процеси здійснюються за участю ферментів, і найчастіше донором фосфату виступає АТФ. Однак у водному розчині реакція приєднання фосфату невигідна з термодинамічної точки зору, тому етап включення фосфору в перші органічні молекули залишається загадкою для вчених, які займаються проблемами походження життя.
Хіміки зі Стенфорда спільно з корейськими колегами з інституту науки і технології Тегу-Кьонбук припустили, як могли з'явитися перші рібонуклеозиди - компоненти РНК. Саме молекули РНК, а не білки, відповідно до гіпотези РНК-світу, стали першими біогенними молекулами, здатними здійснювати реплікацію самих себе і каталіз хімічних реакцій.
Вчені змогли здійснити неферментативний синтез рібонуклеозиду уридінмонофосфату з урацилу, рібози та ортофосфорної кислоти. Ключовим етапом у цій реакції є утворення рібозо-1-фосфату, яке в нормі не йде у водному розчині. Однак автори роботи показали, що ця реакція може протікати в мікрокаплях.
Очевидно, на поверхні мікрокапель відбувається впорядкування молекул, яке дозволяє прискорити деякі реакції в мільйон разів. Раніше вченим вдалося без участі каталізатора провести в мікрокаплях ряд хімічних і біохімічних реакцій, включаючи окислювально-відновлювальні реакції, формування зв'язків між атомами вуглецю і згортання білка.
В експерименті автори роботи розпорошували розчин цукру з ортофосфорною кислотою в мас-спектрометрі і спостерігали спонтанну появу нових сполук. При кімнатній температурі і нормальному тиску таким чином вдалося отримати значні кількості фосфорійованої рібози, глюкози, галактози і фруктози. Вихід фосфорильованих цукрів в середньому склав десять відсотків від загальної кількості цукру в розчині. Фосфорилювання всіх цукрів відбувалося по першому атому вуглецю.
Дослідники розрахували вільну енергію фосфорилювання рибози в мікрокаплях і показали, що ^ G процесу при кімнатній температурі становить − 1,1 ккал/моль, тобто з точки зору термодинаміки процес може йти мимоволі. Для порівняння, в розчині ця величина більше нуля і становить 5,4 ккал/моль.
На наступному етапі експерименту автори розпилили розчин, що містить рібозу, ортофосфорну кислоту і урацил, щоб продемонструвати можливість спонтанного синтезу рібонуклеозидів. Вихід уридінмонофосфату склав два з половиною відсотки. При цьому в мікрокаплях, що містять тільки рибозу і урацил, хімічної реакції між ними не відбувалося.
Висновки дослідників підтверджують гіпотезу про те, що реакції абіогенного синтезу на зорі зародження життя могли відбуватися у водяних мікрокаплях, які широко поширені в природі (хмари, туман, бризки хвиль).
Раніше ми писали про зворотний випадок, коли вчені знайшли в природі фермент, що здійснює класичну реакцію органічного синтезу.