Химики нашли среду, которая могла запустить жизнь на Земле
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили, что небольшие природные капли, называемые коацевратами, создают условия для окислительно-восстановительных реакций — процессов, лежащих в основе большинства биохимических превращений. Эти капли могли выступать в роли протоферментов, способствуя образованию сложных органических молекул. Результаты исследования опубликовангы в PNAS.
«Мы нашли способ заглянуть внутрь биологически важных капель с помощью электрохимии и увидеть, как они создают подходящую среду для реакций», — сказал Ник Уоткинс, соавтор исследования.
Коацерваты как лаборатории жизни
Коацерваты — это капли, образующиеся из макромолекул, таких как белки и РНК, и сливающиеся в растворе, напоминающем масляные капли в воде. Но в отличие от масла, их состав позволяет концентрировать реагенты и создавать особую микросреду.
Ученые проверили, как эти капли влияют на окислительно-восстановительные реакции. Такие реакции происходят, когда одно вещество теряет электроны (окисляется), а другое их принимает (восстанавливается). Эти процессы необходимы для образования и передачи энергии в живых системах.
Чтобы исследовать микросреду, команда создала коацерваты из молекулы РНК и пептида, а затем наблюдала за реакцией феррицианида, превращающегося в ферроцианид.
«Это классическая реакция из учебника, изучаемая в рамках окислительно-восстановительной химии», — отметил Лиор Сепунару, профессор химии.
Когда исходные вещества превращаются в продукты, им нужно преодолеть энергетический «порог» — своего рода подъем, после которого реакция может пойти дальше. Разница в энергии между начальным и конечным состоянием показывает, насколько реакция выгодна. Эти энергетические параметры можно измерить электрохимическими методами.
(B) Если реакция происходит внутри коацервата — каплеобразной структуры из молекул, — ее путь меняется из-за особых условий внутри этой среды.
(C) Эти условия формируются за счёт перераспределения воды и ионов, которые могут усиливать или нарушать связи между молекулами, тем самым влияя на ход реакции.
Измерение энергии Гиббса
Энергия Гиббса показывает, сможет ли химическая реакция произойти сама по себе или ей нужна дополнительная энергия. Чтобы проверить это внутри капель, ученые покрыли металлический электрод тонкой пленкой коацерватов и подключили его к эталонному электроду. Измерив напряжение, они узнали, насколько вероятно протекание реакции в такой необычной среде.
«Мы увидели, что вода внутри капли ведет себя иначе, чем обычная вода, и это меняет спонтанность реакции», — отметил Сепунару.
С помощью рамановской спектроскопии ученые смогли увидеть, как железосодержащие молекулы распределяются внутри капли и как это влияет на химические реакции, подтверждая их выводы на уровне отдельных молекул
Коацерваты как протоферменты
Результаты показали, что коацерваты не только концентрируют реагенты, но и изменяют микросреду так, что реакции становятся более вероятными.
«Молекулам легче отдавать электроны внутри капли, что важно для химических процессов, которые могли дать начало жизни», — пояснила Гала Родригес, аспирантка в группе Сепунару.
Ученые считают коацерваты своего рода первыми ферментами. Они ускоряют химические реакции, как настоящие ферменты, но устроены намного проще. Такие капли могли помочь на ранней Земле образоваться сложным биомолекулам
Значение исследования
Хотя энергия Гиббса определяет вероятность реакции, она не всегда связана со скоростью. Для окислительно-восстановительных процессов, изучаемых командой, наблюдается корреляция, что позволяет исследовать влияние капель на скорость реакции.
«Мы единственная лаборатория, которая следит за энергией Гиббса в коацерватах», — подчеркнул Сепунару.
Исследование открывает новое понимание того, как простые химические среды могли запустить жизнь, демонстрируя, что даже крошечные капли обладают способностью формировать сложные биохимические системы.
