Дж. Тур. Два эксперимента по абиогенезу

Sidney Becker, Ines Thoma, Amrei Deutsch, Tim Gehrke, Peter Mayer, Hendrik Zipse, and Thomas Carell, “A High-Yielding, Strictly Regioselective Prebiotic Purine Nucleoside Formation Pathway”, Science 352, No. 6,287 (2016): 833–36, doi:10.1126/science.aad2808.

Brian Cafferty, David Fialho, Jaheda Khanam, Ramanarayanan Krishnamurthy, and Nicholas Hud, “Spontaneous Formation and Base Pairing of Plausible Prebiotic Nucleotides in Water”, Nature Communications 7, no. 11,328 (2016), doi:10.1038/ncomms11328.

В моем эссе «Критические заметки химика-синтетика» я написал следующее: «Соединение рибозы с нуклеотидом является первым шагом [в абиогенезе], и даже те, кто погружен в пребиотические исследования, испытывают трудности, чтобы представить себе этот процесс, особенно для пуринов и пиримидинов».

Группе Томаса Карелла удалось их соединить путем конденсации формамидопиримидинов с рибозой, обеспечив естественные N-9 нуклеозиды высокой региоселективностью. Начав с 2,4,5,6-тетрааминопиримидинсульфата и суспендируя его в муравьиной кислоте и формиате натрия, смесь нагревали до 101° С в течение двух часов. Растворитель выпаривали при пониженном давлении и добавляли воду для растворения продукта. Концентрированный гидроксид аммония затем использовали, чтобы поднять рН смеси до 8. Раствор охлаждали в течение ночи при 4° С, получив на выходе значительное количество формилированного тетраминопиримида в кристаллической форме.

Тетраминопиримид был изолирован от других продуктов. Затем они позволили формилированному продукту взаимодействовать с 15-тью эквивалентами гомохиральной рибозы путем тщательного измельчения этих двух веществ в твердом состоянии и нагревания смеси в печи при 100° С в течение восьми часов. Рибозу исследовательская группа приобрела коммерчески.

Я уже показал, как трудно для лучших химиков-синтетиков мира получить даже сильно диастереомерную и рацемическую смесь этого 5-углеродного углевода.

Твердое вещество затем было помещено в герметичную трубку, чтобы избежать контакта с экзогенным воздухом (непонятно как этого добиться в естественных условиях) и обрабатывалось концентрированным гидроксидом аммония, или базовыми аминокислотами, или тетраборатом натрия при 100° С в течение от одного до 14 дней. Реакция потребляет исходный материал рибозы; следовательно, использовался 15-кратный избыток. Это привело к смешению продуктов. Объемную сепарацию даже не пытались осуществить. Смесь была подвергнута жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

Этот успех Карелла и его команды базировался на использовании заранее сформированных пуринов и пиримидинов; это сделало возможным их соединение с коммерчески приобретенной гомохиральной рибозой. Авторы упомянули проблемы, вызванные окислительной нестабильностью аминопиримидинов. Нет оснований полагать, что природа могла бы обладать такими совершенными лабораторными навыками. Часто в этих реакциях формировались семь основных продуктов и намного больше других второстепенных продуктов, где общий выход аномерных нуклеозидов мог достигать 60%. При запуске же реакции с рацемическими глицеральдегидами и гликоальдегидом, а не с очищенной гомохиральной рибозой, выход рацемических нуклеозидов снижался до менее чем 1% и этот 1% содержал до 16-ти различных изомеров. Не было даже предпринято попытки извлечь следы целевых нуклеозидов, которые, вероятно, составляли менее 0,1%, из общих реакционных смесей (> 99,9%).

Эта работа подчеркивает трудности с получением даже следовых количеств одного нужного нуклеозида. Мало того, он был получен вместе с непригодной смесью продуктов, а примеси вовсе не являются безобидными. Они замедляют последующие реакции, сначала потребляя бесценные исходные вещества, а затем потребляя конечный продукт реакции. Процесс синтеза был сложным, и это несмотря на современные химические методы, несмотря на заранее очищенные исходные материалы, незсмотря на бескислородные системы удержания, и несмотря на наличие великолепных лабораторий и сложнейшего оборудования.

Работа Карелла и его коллег иллюстрирует еще одну неприятную проблему в пребиотической химии. Одна группа публикует свои отчеты о результатах с низким выходом продукта и непригодными побочными смесями. Другая группа затем использует эти продукты в их очищенном виде и избыточном количестве в качестве исходных материалов. Группа Карелла использовала гомохиральную рибозу, утверждая, что «Рибоза образуется из гликоальдегида и формальдегида, сформированных из ранней атмосферы, содержавшей СО₂ с водяными парами» Однако эта реакция производит только следы рибозы в непригодных смесях. Карелл и его коллеги же посчитали рибозу как данность. Они также использовали очищенные аминопиримидины, полагаясь на исследования, которые генерировали их из небольших молекул, таких как гуанидин и цианистый водород. Опубликованные лабораторные записи, на которые они ссылаются, также сообщают о непригодной смеси продуктов. От одной опубликованной работы до другой нет никаких попыток придерживаться общих лабораторных исследовательских стандартов. Однако результаты прошлых исследований автоматически включаются в текущую работу, абсолютно не упоминая о недостатках и проблемах этих прошлых исследований.

«Предполагается, – отмечают Карелл и его коллеги, – что жизнь произошла из простого набора небольших молекул». Однако его работа рассеивает любые подобные иллюзии. Безответственные утверждения общего плана типичны для этой области исследований. Описывая гипотезу РНК-мира, Каррелл и его коллеги утверждают, что совершенно нетрудно перейти от молекул к нуклеозидам, затем к информационным полимерам и, наконец, к самовоспроизводящимся системам. Это то же самое, что предположить, без всяких доказательств, что в пребиотической химии дубы-великаны естественным образом формируются из маленьких желудей. И такие вот взгляды абсолютно приемлемы в сегодняшних научных журналах.

В статье Николаса Хада и его команды сообщается о серьезных и достойных похвалы достижениях. Исследователи использовали барбитуровую кислоту (БК) и меламин, чтобы показать, что эти два конъюнктора могут взаимодействовать с предварительно сформированным рибозо-5-фосфатом (R5P) с образованием – и экзоциклических гликозидов соответственно (BMP и MMP). Предыдущие работы показали аналогичные эффективные гликозидные образования на RP с другими структурными комбинациями, но Хад и его команда распространили эти результаты на БК и меламин. БК и меламин могут также образовывать гликозиды с нефосфорилированной рибозой. Альфа (α) и бета (β) – аномерические соотношения изучались широко с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

Канонические базовые мононуклеотиды спонтанно самособираются при смешивании BMP с MMP. Самоорганизованные аддукты предпочитают β-аномер над α-конфигурацией в соотношении 2:1. Тот факт, что БК и производные меламинов соединяются с самоорганизованным аддуктом, особо не примечателен. Существует обширная литература о самосборке этих и аналогичных планарных молекулярных протон-донорно-акцепторных комбинаций. Этот процесс самосборки формирует структуры с большими круговыми дихроическими значениями; это вполне ожидаемо на основе того, что известно в области спирально упорядочивающихся гомохиральных структур.

В работе Хада и его коллег это коммерчески приобретенный R5P, который демонстрирует гомохиральность; их изолированные структуры всегда построены на гексаде, где есть три ММР и три ВМП на циклическую единицу. Это контрастирует с порядком спаривания основания Уотсона-Крика, найденным в РНК.

Хад и его группа использовали отличный характеризационный комплект, и их химический анализ данных был превосходно выполнен. Если бы они ограничились супрамолекулярной сборкой хиральных конджойнеров, их статья была бы достойным вкладом в литературу. Но совершенно неприемлемо утверждать, что эти прото-РНК-структуры – ММР и БМП-гексады – могли быть предковыми формами канонических структур. Их статья оставляет читателя в недоумении. Они что, хотят сказать что повторяющиеся строки водородной связи BMP-MMP каким-то образом послужили шаблоном для РНК? Может ли быть что-либо значимое закодировано в упорядоченно смодулированной гексаде? Простые регулярные шаблоны не могут кодировать сложную функцию.

Или Хад и его коллеги предполагают, что что-то трансформировало самоорганизованный БК и меламин в канонические четыре основания? Не существует мыслимой пребиотической синтетической трансформации, которая делает это правдоподобным.

Невозможно, чтобы авторы именно это имели в виду.