Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Маршалл Майкл

Все эти пути развития теоретически кажутся перспективными, но на практике связаны со сложностями. Именно поэтому попытки предсказать, когда именно ученые смогут создать полноценный хемотон, представляются нелепыми. И все же хемотон – это не неосуществимая мечта. Такая максимально упрощенная клетка стала бы наиболее реалистичной из всех моделей первого организма на Земле, когда-либо созданных человеком.

Можно задаться вопросом: если существование подобной минимальной клетки возможно, то почему ее никто и никогда не видел? Ведь даже самая простая бактерия имеет сразу сотни генов и организована неизмеримо сложнее, чем протоклетки Шостака. Наверное, дело в большей пластичности и устойчивости сложноорганизованных организмов. При таких условиях протоклетки-хемотоны могли бы выдержать конкуренцию только с другими протоклетками-хемотонами –

если бы те уже не были давно и безжалостно уничтожены организмами посложнее. Несколько проведенных Шостаком опытов действительно свидетельствуют о том, что имеющие более высокую организацию протоклетки выходят победителями из соревнования с собратьями попроще.

Не стоит также забывать, что наши знания о мире микробов по-прежнему остаются очень поверхностными. Наиболее информативной иллюстрацией этого является, пожалуй, открытие гигантских вирусов. Уже из названия понятно, что они намного крупнее обычных вирусов: некоторые из них сравнимы по размеру с клетками бактерий. Такие огромные вирусы впервые описали в 2003 году, хотя первый из них (известный сейчас как Mimivirus) обнаружили еще в 1992-м, ошибочно приняв тогда за бактерию^[495]. В отличие от большинства вирусов, эти гиганты имеют довольно много генов, среди которых есть и те, что кодируют машинерию, нужную для “прочтения” генов и синтеза белков^[496]. Для самовоспроизводства им тоже необходимо проникнуть в живую клетку, но во всех прочих отношениях они являются чем-то средним между вирусами в привычном понимании и клетками. Возможно, когда-то они были клетками, перешедшими к паразитическому образу жизни; возможно – просто устроенными вирусами, которые постепенно эволюционировали и стали сложнее; а возможно, гигантские вирусы – это нечто совершенно своеобразное^[497]. Пока что трудно говорить определенно, но несомненно одно: гигантские вирусы делают границу между живым и неживым еще более размытой. В каком-то смысле они устроены сложнее, чем хемотон, хотя их неспособность к самостоятельному размножению все же заставляет отнести их к неживым объектам^[498]. Ну и разумеется, существование гигантских вирусов расширяет наши представления о самых простых формах жизни.

Описанные в этой главе эксперименты уверенно приближают тот момент, когда создание нового организма “с нуля” станет реальностью. Идеи Ганти в сочетании с исключительно остроумными экспериментами Шостака обозначили путь к сотворению минимального способного к самосборке организма. Думаю, именно эти успехи нанесли самый сильный удар по более ранним концепциям (вроде Мира РНК), которые утверждают, что жизнь могла сформироваться только на основе своих уже существующих главных компонентов.

Тем не менее Шостак использовал в своих экспериментах готовые реагенты, в том числе липиды и нуклеотиды. Его критики вправе спросить: а откуда, собственно, они могли взяться? И тут наша история возвращается в исходную точку – к вопросу, на который в 1950-е годы пытался ответить Стэнли Миллер: как образовались химические вещества в основе жизни? Это станет предметом нашего обсуждения в последней главе. Нам предстоит убедиться, что ровно тот же принцип “все и сразу”, который помог ученым создать напоминающие живые протоклетки, облегчает и возникновение строительных блоков жизни.

Глава 14

Нужное количество беспорядка

Если первой формой жизни действительно были протоклетки наподобие хемотона, они должны были содержать в себе все необходимые химические соединения: нуклеиновые кислоты, липиды и, возможно, еще и белки. Так вот, самый большой вклад в наше понимание того, как мог возникнуть этот “коктейль жизни”, внес, пожалуй, химик Джон Сазерленд.

Интерес к живому пробудился в нем еще в детстве, в 1960-е. “Меня всегда интересовало, откуда мы взялись”, – говорит Сазерленд. Поскольку он не смог заниматься происхождением нашей Вселенной (для этого требовались выдающиеся математические способности), то решил посвятить себя химии и в 1980 году поступил на химический факультет Оксфорда.

Как и в случае Стэнли Миллера, судьбу Сазерленда изменила одна-единственная лекция. Ее прочитал в середине 1980-х химик Альберт Эшенмозер, тот самый, который позднее создал искусственную нуклеиновую кислоту (см. главу 8). Эшенмозер задался вопросом: почему некоторые биологические молекулы настолько

трудно получить? Он пришел к выводу, что подобное препятствие не поддается простому измерению (типа подсчета числа атомов в молекуле). Действительно: ведь при наличии всех необходимых ингредиентов некоторые структуры образуются, а другие решительно отказываются это делать. “Какими замысловатыми ни казались бы нам соединения, если они способны к самосборке, то уровень их сложности всегда очень субъективен и определяется наблюдателем, – утверждает Сазерленд. – Это что-то вроде «пути в Дамаск». Очевидно, именно так вы и должны подходить к РНК”.

Хотя в те годы гипотеза Мира РНК набирала обороты, была с ней одна загвоздка. Получить нуклеотиды (строительные блоки РНК) оказалось очень непросто. Это наводило на мысль о невозможности их самопроизвольного образования на юной Земле и, как следствие, ставило под сомнение всю гипотезу Мира РНК.

Но Сазерленд полагал иначе. Он был убежден, что видимая сложность нуклеотидов в составе РНК – лишь иллюзия и что должен быть простой способ их получения. Однако ему потребовалось два десятка лет для того, чтобы этот самый способ найти. “Со временем нам удалось получить определенные денежные средства и выполнить с их помощью определенную работу: нам никогда не давали слишком много, но все же пусть Господь благословит научный совет, что-то он нам смог выделить”, – говорит Сазерленд.

Для решения этой задачи ученым потребовалось мыслить не по шаблону. Обычно биохимики рассматривали нуклеотид как единство трех частей: азотистого основания, сахара и фосфата. Такое разделение молекулы кажется естественным при взгляде на схематическое изображение ее структуры. Именно поэтому ученые решили, что для получения нуклеотида следует просто соединить эти три компонента воедино. Это одновременно заманчиво, логично – и совершенно не работает. Беда в том, что сахар и основания упорно не желали соединяться. Молекулы были не той формы и вели себя, как два не подходящих друг дружке кусочка пазла.

Тогда Мэтью Паунер, Беатрис Герланд и Сазерленд стали искать другой способ. Вместо использования трех реагентов (сахаров, оснований и фосфатов) они принялись экспериментировать с пятью. Одним из них был цианамид: то же самое родственное цианиду вещество, которое Хоан Оро использовал для синтеза биологических молекул (см. главу 3), а Дэвид Димер – для получения липидов (см. главу 9). Проведя с этими пятью реагентами определенные реакции, ученые смогли наконец получить нуклеотиды. Но ни на одной стадии их синтеза не возникали ни азотистые основания, ни сахара. Если привычный подход в этом случае можно сравнить со сборкой скелета из отдельных конечностей, грудной клетки и головы, то способ Сазерленда – это скорее создание фрагментов конечностей, затем грудной клетки и недостающих частей рук и ног, далее головы, и лишь затем – собирание всего этого воедино.

Результаты эксперимента были опубликованы в мае 2009 года и получили широкое признание^[499]. Шостак назвал это “синтетическим прорывом” и заявил, что проведенные опыты “вдохнули новую жизнь в гипотезу первичности РНК”^[500]. Многие поддерживали его, решив, что настал момент, когда Мир РНК “перешел в контратаку”.

Впрочем, сам Сазерленд полагал иначе. Соглашаясь в целом с тем, что первым генетическим материалом являлась именно РНК, а не ДНК, ученый, однако, склонялся к “мягкой” версии Мира РНК, поскольку гипотеза о том, что РНК берет на себя все функции живого сразу, казалась ему сомнительной. Сазерленд полагал, что РНК скорее образовалась наряду с аминокислотами (а стало быть, и с белками) и липидами из одного и того же набора исходных веществ. “Поначалу мы делали упор на РНК, но были готовы изменить свои взгляды и надеялись, что сумеем получить все и сразу”, – утверждает он.

Невозможно вообразить, насколько это противоречило традиционной точке зрения. В 1990-е, когда Сазерленд проводил свои первые и не слишком удачные эксперименты, исследователи исходили из того, что РНК является очень сложной. Не менее сложной, чем белки и липиды. Так разве могли они все образоваться из одних и тех же исходных веществ? Разумеется, нет: их возникновение должно было идти независимо, на основе различных строительных блоков и в различных условиях – лишь затем, возможно, благодаря течениям в океане, им как-то удалось собраться вместе. Эта версия казалась настолько очевидной, что ее даже не обсуждали. Альтернативный сценарий представлялся попросту немыслимым.