В атмосфере Венеры может существовать жизнь: химики синтезировали аналоги ДНК, устойчивые к серной кислоте

Поверхность Венеры представляет собой абсолютно негостеприимный мир для любых известных нам сложных химических процессов. Температурные показатели там доходят до отметки в 470 градусов по Цельсию, а давление атмосферы превышает земное в девяносто раз. Тем не менее, на высоте от 48 до 60 километров картина радикально меняется. В этом атмосферном слое и температура, и давление опускаются до значений, которые можно сравнить с условиями на нашей планете. Ключевым барьером для гипотетического зарождения органической химии в данной зоне служит состав самой среды. Облачный покров Венеры на больших высотах сформирован концентрированной серной кислотой, чья доля колеблется от 81 до 98 процентов, при практически полном отсутствии воды.

Вся земная биология фундаментально зависит от воды, выступающей в роли универсального растворителя. Работа ДНК и РНК — полимеров, ответственных за хранение и передачу генетического кода, — возможна исключительно в водной среде. В концентрированной серной кислоте классические молекулы наследственности, знакомые нам, разрушаются почти мгновенно. Дезоксирибоза, формирующая углеводный остов ДНК, подвергается сольволизу — реакции распада под влиянием растворителя. Кислота разрывает фосфодиэфирные связи, скрепляющие нуклеотиды в единую цепочку. Следовательно, если жизнь в атмосфере Венеры и существует, ее генетический аппарат должен основываться на принципиально иных химических соединениях.

Коллектив астробиологов и химиков под руководством Сары Сигер из Массачусетского технологического института (MIT) поставил перед собой цель определить, какие молекулярные структуры теоретически способны хранить информацию, не разрушаясь в столь агрессивных условиях. Ученые не ограничились построением компьютерной модели, а физически синтезировали новые органические соединения и проверили их на устойчивость.

Конструирование альтернативного структурного остова

Любая молекула, претендующая на роль носителя генетических данных, должна обладать длинной цепью, на которой в строгом порядке закреплены информационные блоки. На Земле такими блоками являются азотистые основания, а цепь создается из молекул сахара и остатков фосфорной кислоты. Понимая, что сахар неминуемо будет разрушен серной кислотой, научная группа начала поиски его структурного аналога.

В качестве замены был избран циклопентан. Это циклическое соединение, в основе которого лежат пять атомов углерода. В отличие от земной рибозы, в кольце циклопентана отсутствуют атомы кислорода, что обеспечивает ему гораздо более высокую устойчивость к воздействию концентрированных кислот. К этому углеродному кольцу химики последовательно присоединили четыре ключевых азотистых основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Полученные молекулы носят название карбоциклических нуклеозидов.

Синтезированные вещества поместили в раствор 98-процентной серной кислоты при комнатной температуре. Для наблюдения за поведением молекул исследователи применили метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Данная методика позволяет с высочайшей точностью фиксировать изменения в расположении атомов и целостности химических связей внутри молекулы, не вмешиваясь в ход реакции. Эксперимент продолжался в течение двух недель.

Неодинаковая стабильность информационных блоков

Данные спектроскопии продемонстрировали, что концентрированная серная кислота воздействует на разные азотистые основания с разной силой. Аденин, гуанин и тимин, соединенные с кольцом циклопентана, проявили высокую стабильность. На протяжении всех четырнадцати дней их атомная структура оставалась неизменной.

Цитозин повел себя совершенно иначе. Связь между атомом углерода в циклопентановом кольце и атомом азота в молекуле цитозина оказалась нестабильной в кислотной среде. Она быстро разорвалась, после чего цитозин перешел в свободное состояние, растворившись в кислоте. Если информационный блок легко отрывается от основного каркаса молекулы, надежное хранение и передача данных становятся невозможными. Этот факт указывает на то, что потенциальная венерианская биохимия, вероятно, будет использовать иной набор информационных оснований, исключающий такие уязвимые соединения, как цитозин.

Сложность формирования полимерной цепи

Однако создание отдельных устойчивых нуклеозидов — это лишь половина решения. Чтобы молекула могла выполнять генетические функции, она должна соединяться с соседними нуклеозидами, образуя протяженный полимер. Для имитации мест будущих соединений инженеры модифицировали базовую молекулу аденина, присоединив к циклопентановому кольцу дополнительные метильные группы (состоящие из одного атома углерода и трех атомов водорода). Расположение этих групп имело критическое значение.

Именно на этом этапе проявились особенности физической химии серной кислоты. В концентрированной кислоте молекулы подвергаются интенсивному обмену протонами с окружающей средой. Исследователи обнаружили, что если метильная группа присоединена к кольцу таким образом, что формирует третичный атом углерода (то есть атом, напрямую связанный с тремя другими атомами углерода), вся молекула становится крайне нестабильной.

В кислотной среде подобная структурная конфигурация способствует образованию карбокатиона — положительно заряженного, высокореактивного и нестабильного иона углерода. Как только возникает карбокатион, молекула теряет структурную целостность и распадается. Эксперименты подтвердили, что молекулы с метильными группами в позициях, которые химики обозначают как C1 и C2, быстро деградировали. Аденин отрывался от каркаса, и молекула разрушалась.

Исследователи нашли решение этой проблемы, изменив пространственную конфигурацию. Они синтезировали молекулу (3,3-диметилциклопентил аденин), в которой две метильные группы были присоединены к позиции C3. При такой архитектуре не создавалось условий для формирования нестабильного третичного атома углерода. Данная молекула показала абсолютную стабильность в 98-процентной серной кислоте на протяжении всего времени наблюдений. Структурная точность спасла химическое соединение от распада.

Следующие шаги и существующие ограничения

Полученные результаты доказывают, что циклопентан может служить надежным связующим звеном для генетического полимера в среде, лишенной воды. Однако для создания полноценной искусственной генетической цепи ученым предстоит решить еще ряд сложных химических задач.

Во-первых, необходимо найти замену фосфатному остову ДНК. Фосфатные группы, соединяющие нуклеотиды на Земле, в серной кислоте могут утратить свой постоянный отрицательный заряд из-за колоссального избытка протонов в среде. Наличие постоянного повторяющегося заряда вдоль всей молекулы — критически важное условие для генетического полимера. Благодаря одинаковому заряду звенья цепи отталкиваются друг от друга, не позволяя длинной молекуле свернуться в плотный непроницаемый клубок. Только в развернутом состоянии полимер способен взаимодействовать с другими веществами для копирования информации. Ученые предполагают, что в кислотной среде функцию связующей цепи могут выполнять соединения на основе аминов, поскольку в серной кислоте они приобретают и стабильно удерживают положительный заряд.

Во-вторых, предстоит решить температурную проблему. Эксперименты с циклопентаном проводились при комнатной температуре. Однако в нижних слоях венерианских облаков температура может достигать 80-100 градусов Цельсия. Ранее исследователи уже тестировали иные полимеры, например, пептидную нуклеиновую кислоту, и выяснили, что при нагревании свыше 50 градусов она начинает быстро разрушаться из-за распада амидных связей. Будущие испытания циклопентановых структур должны проходить в условиях интенсивного нагрева.

Кроме того, ученым придется пересмотреть базовые принципы взаимодействия между цепями молекулы. Классическая структура ДНК удерживается вместе благодаря водородным связям между комплементарными парами нуклеотидов. В концентрированной серной кислоте основания будут сильно протонированы, что кардинально изменит их способность к формированию водородных связей. Скорее всего, альтернативной биохимии придется опираться на гидрофобные взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса для соединения парных цепей.

Понимание того, какие именно химические связи сохраняют стабильность в серной кислоте, позволяет инженерам создавать более совершенные приборы для исследований. Космические зонды, которым предстоит отправиться в атмосферу Венеры, не должны быть настроены на поиск фрагментов земной ДНК. Их спектрометры и химические анализаторы необходимо откалибровать для обнаружения молекул с углеродными циклическими структурами и специфическими устойчивыми связями. Это исследование наглядно доказывает: сложная органическая химия возможна даже в самых агрессивных растворителях, при условии, что структура молекулы строго соответствует законам этой среды.

Источник:Molecules