Жидкие кристаллы жизни

Профессор Ноэл Кларк из университета Колорадо в Болдере и его команда с удивлением обнаружили, что очень короткие части наследственной цепочки могут во вводном растворе самоорганизовываться в определенные жидкокристаллические фазы, самостоятельно ориентироваться в пространстве параллельно друг другу и выстаиваться в колонны. Статья, описывающая достижение международного коллектива ученых, опубликована в свежем номере Science.

Это открытие может послужить сильным аргументом в пользу концепции Опарина, согласно которой жизнь на Земле зародилась несколько миллиардов лет назад в так называемом доисторическом абиотическом супе – жидкой фазе, в которой образовались первые короткие последовательности молекул, близких по свойствам и морфологии к современным ДНК. Серьёзных конкурентов у этой теории так и нет, однако у неё есть одно очень слабое место – теория Опарина не в силах объяснить, как из небольших, по большому счёту, молекул, появились длинные цепочки ДНК, способные к самовоспроизведению.

Так как случайное образование таких длинных цепочек, как гибкая и универсальная молекула ДНК, практически нереально, ученые уже давно ищут механизм, позволяющий небольшим молекулам самоорагнизовываться, выбирать себе комплементарную пару (молекулу с подходящими размерами, формой и химическими свойствами), соединяться в цепочки и направленно повторять процесс самокопирования в большом количестве итераций.

Работа Кларка и его коллег, похоже, нащупала этот механизм.

Новое исследование впервые показало, как в растворе коротких фрагментов ДНК происходит их селективная конденсация в каплеобразные образования, параметры среды внутри которых позволяют молекулам вступать в дальнейшие реакции соединения и образования более длинных цепочек с помощью выраженных способностей к формированию жидкокристаллических фаз.

По словам Кларка, процесс выглядел следующим образом: короткие отрезки двойной спирали ДНК самоорганизуются и выстраиваются в колонны, состоящие из многих и многих единичных фрагментов.

Кларк предполагает, что набор химреактивов в доисторическом абиотическом супе мог привести к спонтанному образованию небольших молекул, похожих структурно на короткие участки ДНК. Случайно образовать короткие куски таких молекул куда проще, чем всю длинную последовательность. Эти короткие молекулы, в силу определенной геометрии и химических свойств, могли собираться в капли жидкокристаллических фаз, селективное взаимодействие внутри которых и определило появление длинных цепочечных молекул.

Молекулы, образующие жидкокристаллические фазы, как правило, имеют вытянутую геометрию и такую полярность, которая позволяет им выстраиваться в большие упорядоченные молекулярные домены, внутри которых все молекулы имеют одинаковую пространственную ориентацию, что делает их особенно чувствительными к таким воздействиям, как изменение температуры или градиента электрического поля.

РНК и ДНК же, в свою очередь, – это длинные полимерные цепочки с большим количеством нуклеотидов, или азотистых оснований, которые с высокой селективностью вступают во взаимодействия с азотистыми основаниями второй цепочки. Этот принцип называется принципом комплементарности.

Именно он позволяет двум цепочкам молекулы соединяться и закручиваться в спираль, всем известную еще со школьной скамьи. Генетическая информация в ДНК кодируется в последовательности нуклеотидов, а отдельные гены могут иметь продолжительность от сотен до миллионов таких «букв». Длина этих участков цепи колеблется от микронных размеров до миллиметровых.

Полинуклеотидная цепь ДНК уже показала свою способность к образованию фаз, близких к жидкокристаллическим, в которых одна длинная цепочка выстраивается параллельно другой. Фактором, способствующим параллельному ориентированию длинных молекул ДНК, является их вытянутая форма и большая длина.

Так, если вы высыпите в коробку пачку спагетти, а затем хорошенько её потрясете, в итоге все макаронины лягут более или менее параллельно друг другу.

Серия экспериментов, проделанная американскими и итальянскими учеными, была призвана показать способность также и очень коротких участков ДНК к образованию жидкокристаллической (ЖК) фазы. Исследование показало, что даже крохотные фрагменты цепочки, имеющие в своем составе всего шесть азотистых оснований и образующие в паре с комплементарным отрезком ДНК молекулу размером 2 на 2 нанометра, все еще способны к образованию жидкокристаллических фаз. И это несмотря на то, что у таких молекул вообще нет «длинной» стороны!

Структурный анализ ЖК-фаз показал, что своим появлением они обязаны способности коротких участков ДНК к состыковке своими концами.

В результате такого «торцевого» взаимодействия возникают вытянутые по форме агрегаты. И хотя эти агрегаты не являются новыми, длинными молекулами, свойства их весьма близки к свойствам длинноцепочечных участков ДНК.

Стыковка отрезков ДНК оказалась возможна, благодаря наличию специфических химических свойств у концевых участков молекул, которые позволяют им обратимо притягиваться друг к другу, подобно магнитам, вытесняя молекулы воды между собой. Такое свойство молекул и веществ называется гидрофобностью. Взаимодействие молекул и образование вытянутых структур, равно как и жидкокристаллических фаз, ученые смогли наблюдать воочию, благодаря комбинации современных методик исследования материи.

В дополнение ко всему, отмечает Кларк, к образованию вытянутых агрегатов оказались способны далеко не все нанометровые фрагменты ДНК, а только те, что смогли объединиться в парные цепочки по принципу комплементарности.

Для того чтобы прояснить этот вопрос, команда ученых проводила эксперименты с комплементарными и некомплементарными отрезками ДНК. Разница в поведении сводилась в итоге к наличию или отсутствию жидкокристаллической фазы.

Кларк доволен проделанной работой и полученными результатами, так как выводом из всего исследования является тезис о способности очень маленьких молекул «искать» себе партнеров, образовывать капли со строгой внутренней организацией молекул и таким образом содействовать образованию более крупных и длинных цепочек в водном растворе. Это знаковый кирпичик в теории возникновения жизни на нашей планете – вопросе спорном, обсуждаемом, но так и не разрешенном.