...

ОТКРЫТОЕ ПИСЬМО МОИМ КОЛЛЕГАМ

James Tour, «An Open Letter to My Colleagues»

Источник: http://inference-review.com/article/an-open-letter-to-my-colleagues

Перевод: Игорь Т.

Жизнь, по идее, не должна существовать. Это то, что нам известно из химии. В отличие от Земли, где жизнь распространена везде, безжизненность других планет имеет гораздо больше смысла с точки зрения химии. Синтетические химики хорошо знают, какие усилия необходимо затратить, чтобы создать всего лишь одно молекулярное соединение. Такое соединение должно быть тщательно спроектировано и его стереохимия должна строго контролироваться. Требуется оптимизация выхода продукта реакции, последующая очистка продукта и определение его характеристик. Для контроля синтеза от начала и до завершающей стадии требуется детально выверенная подача реагентов. Ни один этап из перечисленного не является при этом простым и легким.

Что же касается исследователей, работающих в других сферах, то немногие из них толком понимают, как синтезируются молекулы.

Рассматривая возможные пребиотическое пути к четырем классам соединений, необходимых для жизни: аминокислот, нуклеотидов, сахаридов и липидов, необходимо принимать во внимание ограничения, возникающие при проведении синтеза[1]. Следующий уровень, помимо синтеза, включает компоненты, необходимые для построения наносистем, которые затем собираются в микросистему. Будучи совокупностью многих наносистем, клетка является фундаментальной микросистемой природы. Если даже первые клетки и были относительно просты, то они в любом случае нуждались по меньшей мере в минимум 256 протеин-кодирующих генах (концепция минимального генома). Это требование настолько приближено к абсолюту, насколько это возможно в синтетической химии. Один из самых маленьких известных геномов, который кодирует 1354 протеина, был обнаружен в Pelagibacter ubique – это бактерия, живущая в естественной среде[2].

Проведем следующий мысленный эксперимент. Предположим, что все молекулы, которые, по нашему мнению, могут понадобиться для построения клетки, у нас уже имеются в необходимой химической и стереохимической чистоте. Предположим, что эти молекулы могут быть отделены друг от друга и доставлены в хорошо оборудованную лабораторию. Предположим также, что миллионы статей, содержащие химическую и биохимическую литературу, также находятся под рукой.

Можем ли мы теперь построить клетку?

Недостаточно иметь все нужные химикаты под рукой. Необходимо кроме этого еще точно определить и установить связи между нуклеотидами и всем остальным, а для этого без кодирующей информации не обойтись. ДНК и РНК являются основными информационными носителями клетки и независимо от того, какой носитель жизнь могла использовать в самом начале, информация должна была откуда-то придти. Сама последовательность нуклеотидов по существу не кодирует ничего. Давайте предположим, что ДНК и РНК доступны в любой желаемой последовательности.

Клетка, если дать ей определение в терминах синтетической биологии, представляет собой систему, которая может поддерживать ионные градиенты, захватывать и обрабатывать энергию, хранить информацию и мутировать[3]. Сможем ли мы сконструировать клетку, имея все необходимое сырье?[4] В конце концов, мы химики-синтетики и если мы не сможем сделать это, то никто не сможет. Липиды соответствующей длины могут спонтанно образовывать липидные бислои.

Ни много ни мало, учебники биологии говорят следующее. Липидный бислойный пузырь может содержать воду и был вероятным предшественником современной клеточной мембраны[5]. Сборка липидов в липид-бислойную мембрану может быть легко инициирована перемешиванием или воздействием ультразвука в лаборатории.

Вот и все. После этого формируется необходимый липидный бислой. Правильно? Давайте не будем спешить, так как несколько проблем должны заставить нас задуматься[6].

Исследователи идентифицировали тысячи различных липидных структур в современных клеточных мембранах. К ним относятся глицеролипиды, сфинголипиды, стеролы, пренолы, сахаролипиды и поликетиды[7]. По этой причине выбор двухслойной композиции для нашей синтетической мембраны далеко не так прост. Следует отметить, что при изготовлении синтетических везикул – синтетических липидных бислойных мембран, смеси липидов могут дестабилизировать систему.

Липидные бислои окружают субклеточные органеллы, такие как ядра и митохондрии, которые сами являются наносистемами и микросистемами, каждая из них имеет свой липидный состав. Липиды распределены несимметрично. Внешние и внутренние стороны липидного бислоя химически неэквивалентны и невзаимозаменяемы.

Но липиды – это только начало. Протеино-липидные комплексы, часто с высокой степенью специфичности, являются необходимыми пассивными транспортными платоформами и активными насосами, обеспечивающие проход ионов и молекул через двухслойные мембраны. Некоторые позволяют прохождение субстратов в клеточные отсеки, а другие – их выход. Сложность еще больше возрастает, так как все липидные бислои имеют большое количество полисахаридных придатков, известных как гликаны, а сахара – не шутка. Они важны для регуляции наносистем и микросистем. Присущая этим сахаридам сложность буквально ошеломляет. Шесть повторяющихся юнитов сахарида D-пиранозы могут образовывать более триллиона различных гексасахаридов путем разветвления (конституционного) и гликозидного (стереохимического) разнообразия![8] Представьте себе необъятность библиотеки!

Полисахариды являются наиболее распространенными органическими молекулами на планете. Их важность находит свое отражение в том, что они производятся всеми природными системами и необходимы для всех этих систем. Каждая клеточная мембрана покрыта сложной матрицей полисахаридов, и все взаимодействия между клетками происходят через участие сахаридов на поверхности липидной бислойной мембраны. Удаление любого класса сахаридов из организма приводит к его смерти, и каждая клеточная дисфункция вовлекает сахариды.

В докладе, озаглавленном «Трансформируя Гликонауку», Национальный Исследовательский Совет США недавно отметил следующее:
«Очень мало известно о диверсификации гликанов во время эволюции. За три миллиарда лет эволюции не удалось создать ни одну живую клетку, которая не была бы покрыта плотной и сложной матрицей гликанов»[9]. Более того, Влатка Золдош, Томислав Хорват и Гордан Лаук отметили следующее: «Особенностью гликановых фрагментов гликопротеинов является то, что они не синтезируются с использованием прямого генетического шаблона. Вместо этого они образуются в результате активности нескольких сотен энзим, организованных в сложные взаимодействия»[10].

Сахариды – это богатые информацией молекулы. Гликозильные трансферазы кодируют информацию в гликаны, а связывающие сахариды белки декодируют информацию, сохраненную в структурах гликанов. Этот процесс повторяется в соответствии с паттернами разветвлений и сопряженности полисахаридов[11]. Сахариды кодируют и передают информацию еще долго после их первоначального конструирования при участии энзим[12]. Полисахариды несут больше потенциальной информации, чем любая другая макромолекула, включая ДНК и РНК. По этой причине липидоассоциированные полисахариды представляют собой реальную энигму[13].

Бислои клеток и органелл, которые когда-то считались простыми везикулами, являются какими угодно, но только не простыми. Они по сути исполняют роль высокофункциональных стражников. Благодаря гликанам липидные бислои превращаются в огромные банки сохраненной, читаемой и перезаписываемой информации. Обработка ультразвуком нескольких случайных липидов, полисахаридов и протеинов в лаборатории не даст на выходе клеточные липидно-бислойные мембраны.

Друзья мои, принимая во внимание все эти слжоности, как мы можем построить микросистему простой клетки? Смогли бы мы создать даже липидные бислои? Эти миниатюрные клеточные микросистемы, которые, в свою очередь, состоят из тысяч наносистем, находятся вне нашего понимания. И тем не менее, мы убеждены, что 3,8 миллиарда лет назад требуемые соединения можно было найти в некой пещере или в подводном гидротермальном источнике, и они как-то, тем или иным образом, собрались в первую клетку.

Может ли время действительно работать таким волшебным образом?

Синтез многих молекулярных структур, необходимых для жизни, не является термодинамически благоприятным. Сформированные реакцией Бутлерова , сахариды подвергаются дальнейшей конденсации при тех же самых условиях реакций, в которых они образуются. В результате получается полимерный материал, не говоря уже о его стереохаотичности в каждом стереогенном центре, а стало быть – вдвойне бесполезный[14]. Время – враг. Реакцию необходимо прекратить вскоре после образования желаемого продукта. Если у нас заканчиваются синтетические промежуточные продукты в лаборатории, мы должны начать все сначала. Но у природы нет лабораторного журнала. Каким образом она подвозит дополнительный материал?

Если человек понимает второй закон термодинамики, то, по мнению некоторых физиков[15]: «Вы можете начать со случайного скопления атомов, и если вы будете его достаточно долгое время освещать, нет ничего удивительного в том, что вы получите растение»[16]. Механизм взаимодействия света с малыми молекулами хорошо известен. Эксперимент проведен. Результат известен. Независимо от длины световой волны, никакое растение никогда не формируется.

Мы, химики-синтетики, должны заявить очевидное. Появление жизни на Земле – загадка и мы ни на шаг не приблизились к решению этой проблемы. Все, что предлагалось до сих пор, чтобы объяснить происхождение жизни, не имеет научного смысла.

Законы физики и Периодическая таблица являются универсальными, подталкивая к выводу, что жизнь, основанная на аминокислотах, нуклеотидах, сахаридах и липидах, является аномалией. Жизнь не должна существовать нигде в нашей Вселенной. Жизнь не должна существовать даже на поверхности Земли[17].
 

ССЫЛКИ

1. See James Tour, “Animadversions of a Synthetic Chemist,” Inference: International Review of Science 2, no. 2 (2016); James Tour, “Two Experiments in Abiogenesis,” Inference: Шnternational Review of Science 2, no. 3 (2016).

2. See Wikipedia, “Minimal Genome.”

3. David Dearner, “A Giant Step Towards Artificial Life?” Trends in Biotechnology 23, no. 7 (2008): 336–38, doi:10.1016/j.tibtech.2005.05.008.

4. A small towards this goal was achieved when a synthetic genome was inserted into a host cell from which the original genome had been removed. The bilayer membrane of the host cell and all of its cytoplasmic constituents had already been created by natural biological processes. See Daniel Gibson et al., “Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome,” Science 329, no. 5,987 (2010): 52–56, doi:10.1126/science.1190719.

5. Bruce Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 4th ed. (New York: Garland Science, 2002).

6. See F. Xabier Contreras et al., “Molecular Recognition of a Single Sphingolipid Species by a Protein’s Transmembrane Domain,” Nature 481 (2012): 525–29, doi:10.1038/nature10742; Yoshiyuki Norimatsu et al., “Protein–Phospholipid Interplay Revealed with Crystals of a Calcium Pump,” Nature 545 (2017): 193–98, doi:10.1038/nature22357.

7. See Lipidomics Gateway, “LIPID MAPS Structure Database.”

8. Roger Laine, “Invited Commentary: A Calculation of All Possible Oligosaccharide Isomers Both Branched and Linear Yields 1.05 × 1012 Structures for a Reducing Hexasaccharide: The Isomer Barrier to Development of Single-Method Saccharide Sequencing or Synthesis Systems,” Glycobiology 4, no. 6 (1994): 759–67, doi:10.1093/glycob/4.6.759.

9. National Research Council, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future (Washington, DC: The National Academies Press, 2012), 72, doi:10.17226/13446.

10. Vlatka Zoldoš, Tomislav Horvat and Gordan Lauc, “Glycomics Meets Genomics, Epigenomics and Other High Throughput Omics for System Biology Studies,” Current Opinion in Chemical Biology 17, no. 1 (2012): 33–40, doi:10.1016/j.cbpa.2012.12.007.

11. Adapted from Maureen Taylor and Kurt Drickamer, Introduction to Glycobiology (Oxford: Oxford University Press, 2006).

12. Gordan Lauc, Aleksandar Vojta and Vlatka Zoldoš, “Epigenetic Regulation of Glycosylation Is the Quantum Mechanics of Biology,” Biochimica et Biophysica Acta – General Subjects 1,840, no. 1 (2014): 65–70, doi:10.1016/j.bbagen.2013.08.017.

13. Claus-Wilhelm von der Lieth, Thomas Luetteke, and Martin Frank, eds., Bioinformatics for Glycobiology and Glycomics: An Introduction (Chichester: Wiley-Blackwell, 2009).

14. James Tour, “Animadversions of a Synthetic Chemist,” Inference: International Review of Science 2, no. 2 (2016).

15. See Jeremy England, “Statistical Physics of Self-Replication,” Journal of Chemical Physics 139 (2013), doi:10.1063/1.4818538; Paul Rosenberg, “God is on the Ropes: The Brilliant New Science That Has Creationists and the Christian Right Terrified,” Salon, January 3, 2015.

16. Natalie Wolchover, “A New Physics Theory of Life,” Quanta, January 22, 2014.

17. The author wishes to thank Anthony Futerman of the Weizmann Institute and Russell Carlson of the University of Georgia for information on lipids and saccharides, respectively.