Синтез цистеина мог быть важным шагом к возникновению жизни

Ученые из Лондонского университетского колледжа предположили, что цистеин мог играть центральную роль в древнем пептидном синтезе. Возможные пути появления белков на Земле экспериментально изучаются более полувека, но однозначного ответа до сих пор нет. Проблема «курицы и яйца»: для современного синтеза белков требуются ферменты, аденозинтрифосфат (АТФ) и машина белкового синтеза — рибосома, но откуда взялись ферменты и рибосомные белки?

У бактерий есть нерибосомные синтетазы пептидов: они не нуждаются в матричной РНК, каждая из них синтезирует только один тип пептидов. При этом карбоксильная группа аминокислоты аденилируется под действием АТФ, а потом взаимодействует с тиоловой группой в составе нерибосомной синтетазы. Когда расположенные рядом SH-группы образуют тиоэфиры с аминокислотами, аминокислоты могут соединиться пептидной связью.

Эти SH-группы принадлежат аминокислоте цистеину — в современной биохимии цистеин является основным источником сульфидов, присутствует в активных центрах многих ферментов, а также выполняет роль лиганда в древних железо-серных белках. Эти факты заставляют предположить, что цистеин должен был появиться на ранних этапах земной биохимии.

Однако долгое время не удавалось получить цистеин в условиях, близких к пребиотическим. поэтому считалось, что он был продуктом биологической эволюции, а не продуктом химического синтеза в абиотических условиях. Авторы нового исследования, опубликованного в Science, доказали, что синтез цистеина был возможен до возникновения жизни.

Те же авторы показали ранее, что пептиды на пребиотической Земле могли образовываться путем лигирования альфа-аминонитрилов — веществ с общей формулой H₂N-R-CN, которые, по современным представлениям, существовали на пребиотической Земле в большом количестве. Альфа-аминонитрилы в водной среде образуют пептиды путем сульфид-опосредованного лигирования — процесс, аналогичный современному нерибосомному синтезу. В новой работе они продемонстрировали, что цистеин мог возникнуть как вторичный продукт этого процесса и одновременно катализировать его.

В синтезе цистеиновых пептидов, который осуществили авторы статьи, участвовали цианистый водород и сероводород, а также альфа-аминонитрилы. Описанный в работе путь синтеза имеет черты сходства с современным биосинтезом цистеина, что, по мнению ученых, не является случайным.

Что не менее важно, простейшие соединения, содержащие цистеин, могут катализировать синтез пептидов из аминокислот в водной среде с нейтральным pH. Таким образом, цистеин — отличный кандидат на роль катализатора протометаболических реакций в абиотической среде.

«Мы нашли решение старой проблемы происхождения жизни, предложив простой путь катализа синтеза пептидов в воде. Важно, что катализаторами являются только биологические аминокислоты. Понимание того, как цистеин мог контролировать формирование самых первых пептидов на Земле представляет долгий путь от химии к живым организмам чуть менее длинным и пугающе сложным», — говорит руководитель работы профессор Мэтью Поунер.

У этой гипотезы, есть и слабые места, отмечают критики. Например, если синтез белка начался с химии на основе нитрила, непонятно, почему в современной биохимии нитрилы редки. Тем не менее полученный результат важен для воссоздания древнейшей химии жизни.