Один из старейших и наиболее фундаментальных вопросов в биохимии -почему 20 аминокислот, которые обеспечивают жизнь, так необходимы, когда исходное ядро из 13 могло бы функционировать также. На этот вопрос учёные ответили с помощью квантовой химии. Согласно новым исследованиям, это дополнительная химическая активность новых семи аминокислот, которые делают их настолько жизненно важными для жизни.
Квантовая химия — это наука, описывающая химические реакции с помощью квантовой механики.
Международная команда ученых в новом исследовании использовала методы квантовой химии для сравнения аминокислот, найденных в космосе (и оставленных там фрагментами метеорита) с аминокислотами, поддерживающими сегодня жизнь на Земле.
«Переход от мертвой химии в космосе к нашей собственной биохимии здесь сегодня был отмечен увеличением «мягкости» и, следовательно, повышением реакционной способности аминокислот», — говорит один из исследователей Бернд Мосманн из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце в Германии.
Работа аминокислот заключается в формировании белков: так закодировано в нашей ДНК. Эти кислоты были сформированы сразу после возникновения Земли, около 4,54 миллиарда лет назад, и поэтому представляют собой один из самых ранних строительных блоков жизни.
Однако почему эволюция решила, что нам нужно 20 аминокислот для обработки этого генетического кодирования. Никогда не было ясным, почему так произошло, ведь первых 13 аминокислот должно было быть достаточно для выполнения этой задачи.
Большая «мягкость» лишних семи аминокислот, идентифицированных исследователями, означает, что они более легко реагируют и более гибки с точки зрения химических изменений.
Если бы вы представляли аминокислоты в виде кругов, их можно было бы нарисовать как несколько концентрических кругов, представляющих различные энергетические уровни, а не один круг с той же химической твердостью и энергетическим уровнем — вроде как на фотографии ниже.
Определив гипотезу с помощью расчетов квантовой химии, ученые смогли подкрепить свои идеи серией биохимических экспериментов.
По пути команда определила, что дополнительные аминокислоты, особенно метионин, триптофан и селеноцистеин, вполне могли развиться в ответ на увеличение уровня кислорода в биосфере в первые годы существования планеты.
Смотреть слишком далеко в прошлое трудно, так как первые органические соединения не оставили окаменелостей для того, чтобы мы могли их анализировать. Однако нет сомнений, что жизнь развилась так, а не иначе, во многом благодаря этим аминокислотам.
Поскольку самые ранние живые клетки пытались справиться с дополнительным окислительным стрессом, это был случай выживания наиболее приспособленных. Клетки, научившиеся справляться с этим дополнительным кислородом — через защиту новыми аминокислотами — выжили и процветали.