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

Поверхность Венеры абсолютно непригодна для любых известных науке сложных химических процессов. Температура там достигает 470 градусов Цельсия, а атмосферное давление в девяносто раз превышает земное. Однако на высоте от 48 до 60 километров условия сильно меняются. Температура и давление в этом слое атмосферы снижаются до значений, сопоставимых с земными. Главным препятствием для гипотетического существования органической химии в этой зоне является состав среды. Облака Венеры на больших высотах состоят из концентрированной серной кислоты, доля которой варьируется от 81 до 98 процентов, при минимальном количестве воды.

Земная биология полностью опирается на воду как на универсальный растворитель. Функционирование ДНК и РНК — полимеров, хранящих и передающих генетическую информацию — возможно только в водной среде. В концентрированной серной кислоте классические молекулы земной наследственности разрушаются практически мгновенно. Дезоксирибоза, представляющая собой углеводный структурный каркас ДНК, подвергается сольволизу — химической реакции распада под воздействием растворителя. Кислота разрывает фосфодиэфирные связи, которые скрепляют нуклеотиды в единую цепь. Так что, если в атмосфере Венеры присутствует жизнь, ее генетический аппарат должен базироваться на совершенно иных химических соединениях.

Группа астробиологов и химиков под руководством Сары Сигер из Массачусетского технологического института (MIT) поставила задачу выяснить, какие именно молекулярные структуры способны хранить информацию и при этом не разрушаться в столь агрессивной среде. Ученые не просто создали теоретическую компьютерную модель, они физически синтезировали новые органические соединения и протестировали их на прочность.

Проектирование нового структурного каркаса

Любая молекула, претендующая на роль носителя генетической информации, должна состоять из длинной цепи, на которой в определенной последовательности закреплены информационные блоки. На Земле такими блоками выступают азотистые основания, а цепь формируется из молекул сахара и остатков фосфорной кислоты. Понимая, что сахар неизбежно разрушится в серной кислоте, исследователи начали искать ему структурную замену.

В качестве альтернативы был выбран циклопентан. Это циклическое соединение, состоящее из пяти атомов углерода. В отличие от земной рибозы, в циклопентановом кольце нет атомов кислорода, что делает его гораздо более устойчивым к воздействию концентрированных кислот. К этому углеродному кольцу химики поочередно присоединили четыре базовых азотистых основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Полученные молекулы называют карбоциклическими нуклеозидами.

Синтезированные вещества поместили в раствор 98-процентной серной кислоты при комнатной температуре. Чтобы наблюдать за поведением молекул, исследователи применили метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод позволяет предельно точно фиксировать изменения в расположении атомов и целостности химических связей внутри молекулы, не вмешиваясь в сам процесс реакции. Эксперимент длился две недели.

Разная устойчивость информационных блоков

Данные спектроскопии показали, что концентрированная серная кислота по-разному воздействует на различные азотистые основания. Аденин, гуанин и тимин, соединенные с циклопентановым кольцом, продемонстрировали высокую стабильность. На протяжении четырнадцати дней их атомная структура оставалась неизменной.

Цитозин повел себя иначе. Связь между атомом углерода в кольце циклопентана и атомом азота в молекуле цитозина оказалась нестабильной в присутствии кислоты. 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. Это говорит о том, что потенциальная венерианская химия вынуждена будет использовать другой набор информационных оснований, исключающий такие уязвимые соединения, как цитозин.

Проблема формирования полимерной цепи

Однако изоляция отдельных нуклеозидов — это только половина задачи. Чтобы молекула могла выполнять генетические функции, она должна соединяться с соседними нуклеозидами, образуя длинный полимер. Чтобы сымитировать эти места будущих соединений, инженеры модифицировали базовую молекулу аденина, прикрепив к циклопентановому кольцу дополнительные метильные группы (состоящие из одного атома углерода и трех атомов водорода). Расположение этих групп имело решающее значение.

Именно на этом этапе проявилась физическая химия 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 углерода, который напрямую связан с тремя другими атомами углерода), вся молекула становится крайне уязвимой.

В кислотной среде такая структурная конфигурация способствует образованию карбокатиона — положительно заряженного, высокореактивного и нестабильного иона углерода. Как только образуется карбокатион, молекула теряет структурную целостность и распадается. Эксперименты показали, что молекулы с метильными группами в позициях, обозначаемых химиками как C1 и C2, быстро деградировали. Аденин отрывался от каркаса, и молекула уничтожалась.

Исследователи решили эту проблему путем изменения пространственной конфигурации. Они синтезировали молекулу (3,3-диметилциклопентил аденин), в которой две метильные группы были присоединены к позиции C3. В такой архитектуре не возникало условий для формирования нестабильного третичного атома углерода. Эта молекула продемонстрировала абсолютную стабильность в 98-процентной серной кислоте на протяжении всего времени наблюдения. Структурная точность спасла химическое соединение от распада.

Дальнейшие шаги и ограничения

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

Во-первых, необходимо найти замену фосфатному остову ДНК. Фосфатные группы, соединяющие нуклеотиды на Земле, в серной кислоте могут потерять свой постоянный отрицательный заряд из-за переизбытка 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 комок. Только в развернутом виде полимер способен взаимодействовать с другими веществами для копирования информации. Ученые предполагают, что в кислотной среде функцию связующей цепи могут выполнять соединения на основе аминов, так как 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 другие полимеры, например пептидную нуклеиновую кислоту, и выяснили, что при нагревании выше 50 градусов она начинает быстро разрушаться из-за распада амидных связей. Будущие тесты циклопентановых структур должны проходить в условиях жесткого нагрева.

Кроме того, ученым придется пересмотреть сами принципы взаимодействия между цепями молекулы. Классическая структура ДНК удерживается вместе благодаря водородным связям между парами нуклеотидов. В концентрированной серной кислоте основания будут сильно протонированы, что изменит их способность формировать водородные связи. Скорее всего, альтернативной биохимии придется использовать гидрофобные взаимодействия и ван-дер-ваальсовы силы для соединения парных цепей.

Понимание того, какие именно химические связи остаются стабильными в серной кислоте, позволяет инженерам создавать более точные приборы. Космические зонды, которые отправятся в атмосферу Венеры, не должны искать там фрагменты земной ДНК. Их спектрометры и химические анализаторы должны быть откалиброваны на обнаружение молекул с углеродными циклическими структурами и специфическими устойчивыми связями. Это исследование доказывает: сложная органическая химия возможна даже в самых агрессивных растворителях, если структура молекулы строго подчиняется законам этой среды.

Источник:Molecules