В атмосфере Венеры может существовать жизнь: химики синтезировали аналоги ДНК, устойчивые к серной кислоте

Земная биология полностью опирается на воду как на универсальный растворитель. Функционирование ДНК и РНК — полимеров, хранящих и передающих генетическую информацию — возможно только в водной среде. В концентрированной серной кислоте классические молекулы земной наследственности разрушаются практически мгновенно. Дезоксирибоза, представляющая собой углеводный структурный каркас ДНК, подвергается сольволизу — химической реакции распада под воздействием растворителя. Кислота разрывает фосфодиэфирные связи, которые скрепляют нуклеотиды в единую цепь. Так что, если в атмосфере Венеры присутствует жизнь, ее генетический аппарат должен базироваться на совершенно иных химических соединениях.

Группа астробиологов и химиков под руководством Сары Сигер из Массачусетского технологического института (MIT) поставила задачу выяснить, какие именно молекулярные структуры способны хранить информацию и при этом не разрушаться в столь агрессивной среде. Ученые не просто создали теоретическую компьютерную модель, они физически синтезировали новые органические соединения и протестировали их на прочность.

Проектирование нового структурного каркаса

Любая молекула, претендующая на роль носителя генетической информации, должна состоять из длинной цепи, на которой в определенной последовательности закреплены информационные блоки. На Земле такими блоками выступают азотистые основания, а цепь формируется из молекул сахара и остатков фосфорной кислоты. Понимая, что сахар неизбежно разрушится в серной кислоте, исследователи начали искать ему структурную замену.

В качестве альтернативы был выбран циклопентан. Это циклическое соединение, состоящее из пяти атомов углерода. В отличие от земной рибозы, в циклопентановом кольце нет атомов кислорода, что делает его гораздо более устойчивым к воздействию концентрированных кислот. К этому углеродному кольцу химики поочередно присоединили четыре базовых азотистых основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Полученные молекулы называют карбоциклическими нуклеозидами.

Синтезированные вещества поместили в раствор 98-процентной серной кислоты при комнатной температуре. Чтобы наблюдать за поведением молекул, исследователи применили метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод позволяет предельно точно фиксировать изменения в расположении атомов и целостности химических связей внутри молекулы, не вмешиваясь в сам процесс реакции. Эксперимент длился две недели.

Разная устойчивость информационных блоков

Данные спектроскопии показали, что концентрированная серная кислота по-разному воздействует на различные азотистые основания. Аденин, гуанин и тимин, соединенные с циклопентановым кольцом, продемонстрировали высокую стабильность. На протяжении четырнадцати дней их атомная структура оставалась неизменной.

Цитозин повел себя иначе. Связь между атомом углерода в кольце циклопентана и атомом азота в молекуле цитозина оказалась нестабильной в присутствии кислоты. Она быстро разорвалась, после чего цитозин перешел в свободное состояние, растворившись в кислоте. Если информационный блок легко отрывается от основного каркаса молекулы, надежное хранение и передача данных становятся невозможными. Это говорит о том, что потенциальная венерианская химия вынуждена будет использовать другой набор информационных оснований, исключающий такие уязвимые соединения, как цитозин.

Проблема формирования полимерной цепи

Однако изоляция отдельных нуклеозидов — это только половина задачи. Чтобы молекула могла выполнять генетические функции, она должна соединяться с соседними нуклеозидами, образуя длинный полимер. Чтобы сымитировать эти места будущих соединений, инженеры модифицировали базовую молекулу аденина, прикрепив к циклопентановому кольцу дополнительные метильные группы (состоящие из одного атома углерода и трех атомов водорода). Расположение этих групп имело решающее значение.

Именно на этом этапе проявилась физическая химия серной кислоты. В концентрированной кислоте молекулы подвергаются интенсивному обмену протонами с окружающей средой. Исследователи обнаружили, что если метильная группа присоединена к кольцу таким образом, что формирует третичный атом углерода (то есть атом углерода, который напрямую связан с тремя другими атомами углерода), вся молекула становится крайне уязвимой.

В кислотной среде такая структурная конфигурация способствует образованию карбокатиона — положительно заряженного, высокореактивного и нестабильного иона углерода. Как только образуется карбокатион, молекула теряет структурную целостность и распадается. Эксперименты показали, что молекулы с метильными группами в позициях, обозначаемых химиками как C1 и C2, быстро деградировали. Аденин отрывался от каркаса, и молекула уничтожалась.

Условия эксперимента: 14-16 мг образцов растворяли в 0,60 мл 98-процентной серной кислоты (D2SO4 с добавлением 2% D2O), после чего разбавляли пробу 0,06 мл DMSO-d6. Спектры снимали спустя 1-2 часа, а затем через 2, 7 и 14 дней. Процент распада веществ рассчитывали по интенсивности ключевых пиков в спектрах 1H NMR.
Автор: Sara Seager et al. Источник: www.mdpi.com

Исследователи решили эту проблему путем изменения пространственной конфигурации. Они синтезировали молекулу (3,3-диметилциклопентил аденин), в которой две метильные группы были присоединены к позиции C3. В такой архитектуре не возникало условий для формирования нестабильного третичного атома углерода. Эта молекула продемонстрировала абсолютную стабильность в 98-процентной серной кислоте на протяжении всего времени наблюдения. Структурная точность спасла химическое соединение от распада.

Дальнейшие шаги и ограничения

Полученные результаты доказывают, что циклопентан может служить надежным связующим звеном для генетического полимера в среде, лишенной воды. Но для создания полноценной искусственной генетической цепи ученым предстоит решить еще несколько сложных химических задач.

Во-первых, необходимо найти замену фосфатному остову ДНК. Фосфатные группы, соединяющие нуклеотиды на Земле, в серной кислоте могут потерять свой постоянный отрицательный заряд из-за переизбытка протонов в среде. Наличие постоянного повторяющегося заряда вдоль всей молекулы — критически важное условие для генетического полимера. Благодаря одинаковому заряду звенья цепи отталкиваются друг от друга, не позволяя длинной молекуле свернуться в плотный непроницаемый комок. Только в развернутом виде полимер способен взаимодействовать с другими веществами для копирования информации. Ученые предполагают, что в кислотной среде функцию связующей цепи могут выполнять соединения на основе аминов, так как в серной кислоте они приобретают и стабильно удерживают положительный заряд.

Во-вторых, предстоит решить температурную проблему. Эксперименты с циклопентаном проводились при комнатной температуре. Однако в нижних слоях венерианских облаков температура может достигать 80-100 градусов Цельсия. Ранее исследователи уже тестировали другие полимеры, например пептидную нуклеиновую кислоту, и выяснили, что при нагревании выше 50 градусов она начинает быстро разрушаться из-за распада амидных связей. Будущие тесты циклопентановых структур должны проходить в условиях жесткого нагрева.

Кроме того, ученым придется пересмотреть сами принципы взаимодействия между цепями молекулы. Классическая структура ДНК удерживается вместе благодаря водородным связям между парами нуклеотидов. В концентрированной серной кислоте основания будут сильно протонированы, что изменит их способность формировать водородные связи. Скорее всего, альтернативной биохимии придется использовать гидрофобные взаимодействия и ван-дер-ваальсовы силы для соединения парных цепей.

Понимание того, какие именно химические связи остаются стабильными в серной кислоте, позволяет инженерам создавать более точные приборы. Космические зонды, которые отправятся в атмосферу Венеры, не должны искать там фрагменты земной ДНК. Их спектрометры и химические анализаторы должны быть откалиброваны на обнаружение молекул с углеродными циклическими структурами и специфическими устойчивыми связями. Это исследование доказывает: сложная органическая химия возможна даже в самых агрессивных растворителях, если структура молекулы строго подчиняется законам этой среды

Источник