Жидкие кристаллы жизни

Доктор Ноэл Кларк из института Колорадо в Болдере и его команда с удивлением нашли, что очень недлинные части наследной цепочки могут во вводном растворе самоорганизовываться в определенные жидкокристаллические фазы, без помощи других ориентироваться в пространстве параллельно друг дружке и выстаиваться в колонны. Статья, описывающая достижение интернационального коллектива ученых, размещена в свежайшем номере Science.

 

Это открытие может послужить сильным аргументом в пользу концепции Опарина, согласно которой жизнь на Земле зародилась несколько млрд годов назад в так именуемом доисторическом абиотическом супе – водянистой фазе, в какой образовались 1-ые недлинные последовательности молекул, близких по свойствам и морфологии к современным ДНК. Серьёзных соперников у этой теории так и нет, но у неё есть одно очень слабенькое место – теория Опарина не способен разъяснить, как из маленьких, по большенному счёту, молекул, появились длинноватые цепочки ДНК, способные к самовоспроизведению.

Потому что случайное образование таких длинноватых цепочек, как эластичная и универсальная молекула ДНК, фактически нереально, ученые уже издавна отыскивают механизм, позволяющий маленьким молекулам самоорагнизовываться, выбирать для себя комплементарную пару (молекулу с подходящими размерами, формой и хим качествами), соединяться в цепочки и направленно повторять процесс самокопирования в большенном количестве итераций.

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

Новое исследование в первый раз показало, как в растворе маленьких фрагментов ДНК происходит их селективная конденсация в каплеобразные образования, характеристики среды снутри которых позволяют молекулам вступать в последующие реакции соединения и образования более длинноватых цепочек при помощи выраженных возможностей к формированию жидкокристаллических фаз.

По словам Кларка, процесс смотрелся последующим образом: недлинные отрезки двойной спирали ДНК самоорганизуются и выстраиваются в колонны, состоящие из всех и всех единичных фрагментов.

Кларк подразумевает, что набор химреактивов в доисторическом абиотическом супе мог привести к спонтанному образованию маленьких молекул, схожих структурно на недлинные участки ДНК. Случаем образовать недлинные кусочки таких молекул куда проще, чем всю длинноватую последовательность. Эти недлинные молекулы, в силу определенной геометрии и хим параметров, могли собираться в капли жидкокристаллических фаз, селективное взаимодействие снутри которых и обусловило возникновение длинноватых цепочечных молекул.

Молекулы, образующие жидкокристаллические фазы, обычно, имеют вытянутую геометрию и такую полярность, которая позволяет им выстраиваться в огромные упорядоченные молекулярные домены, снутри которых все молекулы имеют схожую пространственную ориентацию, что делает их в особенности чувствительными к таким воздействиям, как изменение температуры либо градиента электронного поля.

РНК и ДНК же, в свою очередь, – это длинноватые полимерные цепочки с огромным количеством нуклеотидов, либо азотистых оснований, которые с высочайшей селективностью вступают во взаимодействия с азотистыми основаниями 2-ой цепочки. Этот принцип именуется принципом комплементарности.

Конкретно 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 длительность 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 каких одна длинноватая цепочка выстраивается параллельно другой. Фактором, содействующим параллельному ориентированию длинноватых молекул ДНК, является их вытянутая форма и большая длина.

Так, если вы вывалите в коробку пачку спагетти, а потом хорошо её потрясете, в конечном итоге все макаронины лягут более либо наименее параллельно друг дружке.

Серия тестов, проделанная южноамериканскими и итальянскими учеными, была призвана показать способность также и очень маленьких участков ДНК к образованию жидкокристаллической (ЖК) фазы. Исследование показало, что даже крошечные куски цепочки, имеющие в собственном составе всего 6 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 невзирая на то, что у таких молекул вообщем нет «длинной» стороны!

Структурный анализ ЖК-фаз показал, что своим возникновением они должны возможности маленьких участков ДНК к состыковке своими концами.

В итоге такового «торцевого» взаимодействия появляются вытянутые по форме агрегаты. И хотя эти агрегаты не являются новыми, длинноватыми молекулами, характеристики их очень близки к свойствам длинноцепочечных участков ДНК.

Стыковка отрезков ДНК оказалась вероятна, благодаря наличию специфичных хим параметров у концевых участков молекул, которые позволяют им обратимо притягиваться друг к другу, подобно магнитам, вытесняя молекулы воды меж собой. Такое свойство молекул и веществ именуется гидрофобностью. Взаимодействие молекул и образование вытянутых структур, равно как и жидкокристаллических фаз, ученые смогли следить воочию, благодаря композиции современных методик исследования материи.

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

Для того чтоб прояснить этот вопрос, команда ученых проводила опыты с комплементарными и некомплементарными отрезками ДНК. Разница в поведении сводилась в конечном итоге к наличию либо отсутствию жидкокристаллической фазы.

Кларк доволен проделанной работой и приобретенными плодами, потому что выводом из всего исследования является тезис о возможности очень малеханьких молекул «искать» для себя партнеров, создавать капли со серьезной внутренней организацией молекул и таким макаром способствовать образованию более больших и длинноватых цепочек в аква растворе. Это знаковый кирпичик в теории появления жизни на нашей планетке – вопросе спорном, обсуждаемом, но так и не разрешенном.


Интересные материалы: