Постановка новых вопросов, развитие новых возможностей, рассмотрение старых проблем под новым углом зрения требуют творческого воображения и отражают действительный успех в науке[17].

Самое интересное в науке – открывать не новые факты, а новые способы думать о них.

Нам пришлось пережить колоссальный понятийный переворот и переключиться со сложности современной живой материи на простоту первоначальной живой материи, единственным биологическим полимером которой была РНК. Но это оставляет нас лицом к лицу с немаловажным вопросом о том, как мы перешли от беспорядочной смеси химических веществ на поверхности молодой Земли к организованной структуре первой живой клетки. Неочевидно даже, имеет ли эта задача решение. Кто-то, вероятно, скажет, что это не вполне законная тема для научных изысканий, ведь мы не можем вернуться в прошлое и посмотреть, что произошло на самом деле, а следовательно, не сумеем по-настоящему проверить никакие гипотезы. Однако такие возражения излишне пессимистичны, поскольку мы, безусловно, в силах разработать гипотетические сценарии, которые будут фальсифицируемыми[18], в том смысле, что предлагаемые пути должны быть реалистичными с химической точки зрения, проходить в геологически разумных условиях и быть самодостаточными – то есть пошагово вести нас от запасов распространенных исходных материалов и источников энергии к более сложным химическим веществам, необходимым для создания простой клетки. Пути и процессы, которые приводят к распаду исходных материалов на смесь из миллионов соединений или к созданию бесполезных устойчивых полимеров (вроде керогена или смолы), можно исключить, и если мы их обнаружим, нам следует переключиться на что-то другое. Учитывая относительную сложность химических структур и реакций, нам придется привести несколько химических схем, которые, надеемся, помогут читателю наглядно представить себе соответствующие молекулярные перестановки и процессы. В конце главы мы добавили Приложение, в котором поясняем, как читать эти схемы.

Главный вопрос – удастся ли нам проследить ход продуктивных процессов от простых исходных материалов к главным химическим соединениям биологии. Прежде всего, нам надо выявить необходимые источники веществ и энергии, однако при этом мы должны знать, к чему стремимся, то есть что нам нужно, чтобы начались биологические процессы. Главные химические компоненты живой материи на Земле состоят по большей части из углерода, азота, кислорода и водорода с небольшими добавлениями фосфора и серы. Поскольку водород распространен во вселенной и в химии повсеместно, в дальнейшем нам не придется особенно беспокоиться о том, где его взять (на иллюстрациях, изображающих химические структуры, мы даже не всегда указываем атомы водорода, подробнее см. в Приложении). Чтобы построить молекулы РНК, которая, как мы уже обсуждали, необходима для первых клеток, нам нужно создать ее строительный материал, нуклеотиды, которые и сами по себе – довольно сложные химические соединения. Нуклеотиды состоят из трех частей – азотистого основания (химического соединения, несущего информацию), сахара (в случае РНК это рибоза) и фосфатной группы (которая связывает нуклеотиды в цепочку).

Нуклеотид 5'-АМФ. Справа – азотистое основание аденин, в центре – сахар рибоза, слева – фосфат.

В РНК четыре азотистых основания, обозначенных сокращениями (первыми буквами названий) – А, Г, Ц и У, и они состоят из углерода, азота и кислорода (как мы видели, Т в ДНК замещается У в РНК). Сахар состоит из углерода и кислорода, а фосфатная группа – из фосфора и кислорода. Чтобы создать азотистые основания, идеальным был бы исходный материал с содержанием и углерода, и азота. И в самом деле, более полувека назад стало ясно, что аденин (азотистое основание, обозначенное буквой А), – это всего-навсего пять молекул необычайно ядовитого и горючего цианида водорода (химическая формула HCN), соединенные друг с другом крайне специфическим образом. В 1959–1962 годах Жоан Оро-и-Флоренса, биохимик из Хьюстонского университета, провел серию классических экспериментов: он кипятил раствор HCN (очень осторожно!) – и, помимо прочих соединений, получил и аденин.

Структура аденина изображена на рисунке выше. Пары атомов углерода и азота обведены овалами, и каждая такая пара соответствует одной молекуле цианида водорода. Эти эксперименты пробудили оптимизм и надежду, что вскоре удастся найти простые пути ко всем оставшимся азотистым основаниям и соответствующим нуклеотидам. Увы, этого не произошло. Эксперименты, целью которых было получить и А, и Г (так называемые пуриновые основания), дали всего лишь следы Г, а также много других родственных веществ, которые не входят в структуру РНК. Оставшиеся азотистые основания Ц и У, казалось, не должны были вызвать особых сложностей, особенно если учесть, что У можно получить из Ц реакцией с водой. Примечательно, что азотистое основание Ц можно получить реакцией двух более простых соединений, и оба они могли, по-видимому, присутствовать в достаточно высоких концентрациях в средах молодой Земли. Первое из этих соединений – мочевина, распространенный метаболит в современной биологии, вещество, знаменитое тем, что это было первое органическое соединение, созданное в лаборатории. Вспомним, что в конце двадцатых годов XIX века немецкий химик Фридрих Вёлер получил мочевину, нагревая цианат аммония (а это тоже, в свою очередь, производное цианида). Любопытно, что еще мочевина – это продукт реакции с водой другого производного цианида, так называемого цианамида, который, в свою очередь, можно получить самыми разными способами. Например, цианамид возникает в восстановительных атмосферах, лишенных кислорода и других окисляющих газов, зато богатых водородом и подверженных влиянию ультрафиолетового излучения. (Это вещество обнаружено в атмосфере Титана, спутника Сатурна, где, как мы увидим в главе 8, тоже ищут внеземную жизнь.) Еще в качестве исходного материала для создания Ц нужно соединение, носящее более сложное название цианацетальдегид (или 3-оксопропаннитрил), продукт реакции цианацетилена (органического вещества, также обнаруженного в атмосфере Титана) с водой. При соответствующих лабораторных условиях очень концентрированная мочевина и цианацетальдегид охотно реагируют и образуют азотистое основание Ц, как показали Лесли Орджел и Стэнли Миллер в семидесятые годы прошлого века[19] (хотя эти ученые сами участвовали в жарких дебатах о правдоподобии такого синтеза).

В этот момент сложилось впечатление, что картину происхождения жизни, вероятно, удастся нарисовать, поскольку выяснилось, что главные биологические азотистые основания можно (относительно) легко получить в предбиологической среде. Увы, более подробное изучение следующих шагов выявило непредвиденные трудности. Главным камнем преткновения стало то, что одних азотистых оснований недостаточно, поскольку, чтобы получилась РНК, они должны соединяться с сахаром рибозой, а эту реакцию запустить никак не удавалось. В современной живой материи ее катализируют ферменты, и процесс задействует рибозу с подсоединенными к ней в определенных местах фосфатными группами. По-видимому, выполнить эти требования в рамках известной нам предбиологической химии было нельзя. Причем, к вящей досаде ученых, сложнейшей проблемой оказалось даже создать саму рибозу.

Поначалу сложилось впечатление, будто получить рибозу нетрудно, ведь для этого достаточно подогреть в воде простое органическое соединение формальдегид (CH₂O, которого, как считалось, было в изобилии в атмосфере молодой Земли), добавив немного гидроксида кальция (всем известной гашеной извести).

Рибоза в виде пяти соединенных остатков формальдегида.

Этот процесс приводит к сложной череде реакций, получившей название формозной реакции (реакция Бутлерова). В сущности, это превращение ядовитого формальдегида в сладкие сахара. Любопытно, что рибоза, подобно аденину, состоящему из пяти молекул циановодорода, состоит из пяти остатков формальдегида, сцепленных в кольцо. На схеме выше каждый овал – это пара связанных атомов углерода и кислорода, полученных из одной молекулы формальдегида. Казалось бы, перспективно – но беда в том, что рибоза, необходимая для создания ДНК, составляет, как правило, менее процента в той сложной смеси сахаров, которые получаются в результате этих реакций. Более того, дальнейшие реакции создают массу отходов, которые в итоге превращают все в никому не нужную смолу. Тем не менее, благодаря своей простоте, а особенно – благодаря способности к автокатализу (то есть реакция катализируется одним из своих же продуктов), формозная реакция продолжает изучаться как простой способ создавать сахара из обильных запасов исходных материалов. Ученые рассмотрели целый ряд приемов в попытке «укротить» формозную реакцию – например, проводили ее в присутствии боратов (солей борной кислоты). Бораты – распространенные минералы в некоторых геологических формациях, однако их роль в предбиологических сценариях остается неясной. Кроме того, хотя борат и правда упрощает перечень продуктов формозной реакции, последовательности реакций остаются сложными, и все равно производится очень много разных сахаров. Недавно был предложен интересный подход – ученые экспериментируют с формозной реакцией в присутствии других молекул, которых, скорее всего, было в изобилии на молодой Земле, например молекул циановодорода и цианамида. Однако эти исследования только начались. Поэтому пока отложим разговор о формозной реакции, но будем иметь в виду, что она может служить альтернативным источником сахаров.

Как мы уже несколько раз видели в других контекстах, решение сложных проблем нуклеотидного синтеза требует понятийной революции. В этом случае революций потребовалось несколько. Главным психологическим препятствием на пути прогресса стало наше интуитивное представление о химической структуре нуклеотидов. Возникает сильный соблазн мысленно поделить его структуру на три части: азотистое основание (углерод и азот), сахар (углерод и кислород) и фосфат (фосфор и кислород). Именно поэтому для химиков было естественно представить себе, что эти компоненты возникают по отдельности, а потом пошагово сцепляются: сначала получается нуклеозид (азотистое основание плюс сахар), а потом уже нуклеотид (с добавлением фосфата на конце). На практике проведение реакции с участием цианида в присутствии формальдегида немедленно приводит к синтезу продукта, который называется гликолонитрил (он формируется быстрой реакцией циановодорода с формальдегидом; более точные названия – формальдегидциангидрин или 2-оксиэтанитрил). Довольно долго гликолонитрил считался бесполезным тупиковым продуктом. Сочетание неверных интуитивных представлений и правильных, но никуда не ведущих химических реакций десятилетиями блокировало дальнейший прогресс.

Первая попытка преодолеть это препятствие была совершенно нестандартной, хотя поначалу и не казалась особенно перспективной. Основная мысль состояла в том, чтобы отойти от идеи создать азотистое основание и сахар по отдельности (а потом сложить из них нуклеозид). Вместо этого предлагалось создать промежуточное соединение, которое впоследствии можно будет превратить в вожделенный нуклеозид. Первый робкий шажок в этом направлении предпринял Орджел, показав, что рибоза отлично реагирует с цианамидом, близким родичем циановодорода, с которым мы уже знакомы как с потенциальным предшественником азотистого основания цитозина, он же Ц. Примечательно, что реакция цианамида с рибозой дает красивое кристаллическое соединение с несколько неудобоваримым названием рибоаминооксазолин, сокращенно РАО. Поскольку РАО кристаллизуется из реакционной смеси, у этого подхода есть большое преимущество: можно представить себе резервуар, где РАО постепенно накапливается, а побочные продукты вымываются, что обеспечивает естественное очищение. Такая схема – накопление чистого промежуточного соединения – позволяет обойти упомянутое мнимое препятствие (необходимость производить сложное соединение вроде нуклеотида, которое требует последовательности реакций в строгом порядке). Как мы вскоре увидим, такого типа процессы в предбиологической химии встречались сплошь и рядом, и такая концепция стала одним из главных доводов, подтверждающих, что в предбиологических условиях был возможен синтез строительного материала для живой материи.

Оставим в стороне вопрос о проблематичности изготовления РАО из рибозы и займемся тем, как получить из РАО желанный нуклеозид. Как выяснилось, есть две простые реакции, которые приближают нас к нуклеозиду Ц, однако остается некоторая загвоздка, поскольку тот вариант Ц, который при этом получается, отличается от варианта, который используется в живой материи. В типе Ц, который мы получаем из РАО, азотистое основание Ц направлено от сахара не вверх, а вниз. Выражаясь научным языком, биологический вариант – это β-аномер (тип изомера, те же атомы, но другая структура), а вариант, полученный из РАО, – α-аномер. Как же обойти эту дополнительную помеху? Воздействие ультрафиолета помогает превратить α-аномер в желанную биологическую форму Ц, но доля «правильного» Ц при этом оказывается до обидного мала, всего около 4 %. На этом этапе мы видим как минимум два крупных препятствия на гипотетическом пути к созданию Ц: во-первых, нереалистично начинать синтез РАО из чистой рибозы, если нет способа очищать и хранить этот нестабильный сахар, а во-вторых, мы получаем не тот аномер Ц и не знаем, как превратить α-аномер в нужный нам β-аномер. Вопрос оставался без ответа лет двадцать, пока в начале девяностых годов прошлого века британский химик Джон Сазерленд не решил пересмотреть процесс синтеза нуклеотидов как таковой.

В цикле статей, публиковавшихся на протяжении пятнадцати лет, Сазерленд и его рабочая группа постепенно, шаг за шагом приближались к решению, а кульминацией трудов стала их статья 2009 года, ознаменовавшая настоящий перелом в исследованиях предбиологической химии.

Во-первых, Сазерленд начал синтез с другой точки, чтобы можно было использовать исходные материалы проще сахара рибозы. Соответственно, на первом этапе своего процесса Сазерленд с коллегами провели реакцию самого простого из возможных сахаров (гликольальдегида), в котором всего два атома углерода, с цианамидом (тем самым родственным циановодороду соединением, которое уже применялось, чтобы создать РАО). Эти два соединения, реагируя друг с другом, создают простую кольцевидную молекулу 2-аминооксазол, сокращенно 2АО. Преимущество такой реакции в том, что сразу создается новая связь углерод—азот, и это именно та связь, которая в конце синтеза соединит сахар с азотистым основанием (и создаст желанный кирпичик нуклеозид). Большое преимущество такой схемы синтеза в том, что та самая связь C-N, которая раньше никак не создавалась в ходе прямой реакции сахара с азотистым основанием, теперь появляется в самом начале пути, где она создается легко и просто.

Отношения между 2АО (слева) и нуклеозидом Ц (справа). Атомы 2АО, входящие в состав рибозы Ц, заключены в пунктирные овалы. Атомы 2АО, входящие в состав азотистого основания Ц, заключены в сплошные овалы.

На самом деле, соединение 2AO уже было хорошо известно, поэтому интересно разобраться, почему никто раньше не подумал, что это хороший промежуточный этап на пути к созданию азотистого основания Ц. Ответ – в исторических традициях органической химии, где реакции принято рассматривать в изоляции (точнее, было принято, поскольку времена заметно изменились). Если смешать простой сахар гликольальдегид с цианамидом и дать им прореагировать друг с другом в изоляции, получится совсем мало 2AO, а основным продуктом реакции окажется смола. Однако Сазерленд, рассмотрев детали механизма реакции, заключил, что эту проблему может решить присутствие буфера, который удержит кислотность реакции в более или менее постоянных рамках, а также какого-нибудь распространенного катализатора, проще говоря, молекулы, которая поможет тасовать ионы водорода. Примечательно, что и то и другое прекрасно делает фосфат. А главное, нам уже известно, что фосфат должен был быть доступен для всей этой предбиологической химии, поскольку он входит в структуру РНК и нуклеотидов. Поэтому Сазерленд с коллегами добавили фосфат в смесь для реакции – и, представьте себе, реакция, которая раньше давала лишь следы желаемого продукта, стала вдруг узкоспециальной и необычайно производительной. Этот простой шаг – добавление к реакции еще одного компонента, хотя его и нет в конечном продукте, – стал ярким примером системной химии[20], подхода, при котором используются материалы, наверняка находящиеся рядом (как, например, фосфат, который обязательно должен был присутствовать, так как входит в нуклеотиды и в РНК). Лишний раз подчеркнем, что это был вовсе не очевидный шаг, ведь ученые привыкли к мысли, что на ранней Земле фосфат был доступен лишь в следовых количествах, так как в присутствии ионов кальция он осаждается в виде минерала апатита. Применение фосфата в высокой концентрации само по себе было отчаянным шагом, который высветил другую проблему – так называемую проблему фосфатов. Но даже без нее нам приходится иметь дело с тем, что 2AO – молекула очень маленькая и простая, достаточно далекая на первый взгляд от нуклеотида Ц, который остается целью наших исследований.

Как выяснилось, переход от первого промежуточного вещества, 2AO, к следующему промежуточному продукту, РАО, с одной стороны, прост, но с другой – чреват трудностями. Хорошая новость состоит в том, что 2AO быстро реагирует с трехуглеродным сахаром (глицеральдегидом) и дает РАО, а это вещество, как мы помним, кристаллизуется из смеси реагентов, обеспечивая совершенно естественный процесс очистки. При этом генерируется главный побочный продукт, называемый арабиноаминооксазолин, сокращенно ААО, который остается в растворе. Однако для этого этапа потребовался второй отчаянный шаг, поскольку он породил новую проблему синтеза трехуглеродного сахара как такового и еще более сложную проблему, как применять на первом этапе двухуглеродный сахар (и только его), а на втором – трехуглеродный (и только его). Хуже того, подходящий трехуглеродный сахар нестабилен и довольно быстро переходит в конфигурацию атомов (изомер), из которой РАО уже не получить. И, наконец, мы снова застреваем на этапе РАО, из которого, как мы уже знаем, получается не та (небиологическая) форма Ц.

Так что же, мы снова в тупике? Не совсем, поскольку у Сазерленда был припрятан еще один козырь: ученый сместил фокус на другой продукт реакции 2AO с глицеральдегидом – на тот самый побочный продукт ААО. В прошлом этим продуктом пренебрегали, поскольку в него входит сахар, который хотя и состоит в близком родстве с рибозой, все же отличается от нее настолько, что не может создать генетический полимер наподобие РНК. Этот сахар, арабиноза, отличается от рибозы только тем, что атом кислорода, связанный с 2'-углеродом, находится не под сахарным кольцом, как в рибозе, а над ним. Почему же Сазерленд все равно решил обратиться не к РАО, а к ААО? Интересно, что на помощь снова пришел фосфат. После реакции ААО с цианацетиленом (на этом этапе создается азотистое основание Ц) Сазерленд сумел связать фосфат с сахаром так, что фосфат мог атаковать соседний атом углерода и в один едва ли не магический шаг создать нужный нуклеозид Ц (схема этой реакции приведена в разделе 6 Приложения к этой главе). Принцип, стоящий за этим важнейшим шагом, называется принципом внутримолекулярной реакционной способности – и это пышное название означает всего-навсего, что две химические группы с большей вероятностью реагируют друг с другом, если их разместили по соседству, в одной молекуле.

Вот почему так восхитительно, что в революционной статье Сазерленда и его коллег, опубликованной в 2009 году, мы видим в действии три важнейшие концепции: это системная химия (в применении фосфата для создания 2AO), внутримолекулярная реакционная способность (в том, что фосфат атакует соседний атом), а также, что, пожалуй, не менее важно, умение благоразумно откладывать нерешенные проблемы на потом (например, вопрос источника глицеральдегида и времени его добавления). А теперь вернемся к довольно длинному списку отложенных проблем и увидим, как путь к созданию основного строительного материала для РНК постепенно упрощался после появления революционной статьи Сазерленда. При этом постепенно проступит общая реалистичная картина того, каким образом эта сложная сеть химических реакций могла идти на молодой Земле.