Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Оказывается, мы – и я использую этот термин как можно более широко, подразумевая и Homo sapiens, и бактерий, и все, что между ними, – состоим из хиральных молекул. И все «мы» – левши.
Белки – это «рабочие лошадки» жизни. Благодаря им у клеток и органов есть структура; они реплицируют ДНК каждый раз, когда делится клетка; они действуют как катализаторы в химических реакциях; добывают, хранят и используют энергию; запускают реакцию и реагируют на раздражители; а также транспортируют молекулы внутри клеток и в межклеточном пространстве. Каждый из примерно 20 000 генов в вашей ДНК обеспечивает уникальный код для построения одного из этих белков. Код определяет порядок строительных блоков белка – биологических молекул, называемых аминокислотами. Вся жизнь на Земле использует всего двадцать различных аминокислот9, и все хиральные аминокислоты – левосторонние.
Каждая аминокислота состоит из Водорода, Азота, Кислорода и Углерода, причем две из двадцати содержат один атом Серы. Их размер варьируется от десяти атомов (глицин: C2H5NO2) до двадцати семи (триптофан: C11H12N2O2). Самый маленький из известных белков, получивший название TRP-Cage и состоящий всего из двадцати аминокислот (менее 500 атомов), был обнаружен в слюне ядозубов10. Не спрашивайте, почему исследовали именно слюну ядозубов, но поскольку этот крошечный белок оказал нам неоценимую помощь в изучении того, как белки сворачиваются и принимают свою функциональную форму, я рад, что кто-то так решил – силу науки, движимой любопытством, никогда нельзя недооценивать. Самый крупный из известных белков – титин, играющий решающую роль в сокращении мышц. Он состоит из 34 500 аминокислот (более полумиллиона атомов), и у него 244 отдельных складчатых домена.
Все эти складки – как в TRP-Cage, так и в титине – происходят именно таким образом, потому что все хиральные аминокислоты имеют левостороннюю природу. Поскольку закономерности укладки (фолдинга) имеют решающее значение для функционирования белка, однонаправленность строительных блоков очень важна. Если бы маленькие белковые фабрики, рибосомы, могли бы выбирать из равного количества правосторонних и левосторонних аминокислот, они случайным образом захватывали бы примерно половину каждой, и каждый производимый ими белок был бы нефункциональным – он просто не мог бы свернуться в форму, необходимую для выполнения его задачи. Хотя в противостоянии левого и правого нет ничего особенного, важно то, что в любом организме должна преобладать только та или иная форма.
 Откуда взялась хиральность? 
Почему левосторонние аминокислоты столь повсеместно распространены – это предмет многочисленных споров. Самая простая гипотеза – случайность. Когда в первичном бульоне образовалась первая молекула, способная воспроизвести саму себя, она совершенно случайно выбрала левосторонние аминокислоты из смешения, в котором левосторонние и правосторонние молекулы пребывали в соотношении 50:50 (можно сказать, подбросила монетку), а остальное – уже история. Однако из этой гипотезы следует один любопытный вывод, и он заключается в том, что жизнь возникает редко – на этой большой планете это произошло только один раз за всю ее историю, которая насчитывает 4,567 миллиарда лет. Если бы все было иначе и жизнь возникала несколько раз, можно было бы ожидать, что некоторые виды произойдут от левосторонних молекул, а другие – от правосторонних.
Интересная подсказка, предлагающая альтернативную гипотезу происхождения нашей «левонаправленности», была найдена в метеоритном веществе. В сентябре 1969 года яркий огненный шар заметили в небе недалеко от небольшого городка Мерчисон в австралийском штате Виктория, примерно в 160 километрах к северу от Мельбурна. Всего с этого метеорита было собрано более 100 кг кусками размером до 7 кг. Метеорит принадлежал к относительно редкому классу углистых хондритов (их менее 5 %), которые считаются одними из первозданных тел в Солнечной системе. В них содержится много молекул Углерода, а также, как правило, вода.
 
Метеорит Мерчисон – один из наиболее изученных в мире. Когда в нем впервые обнаружили большое количество аминокислот (на уровне 100 ppm), возник спор о том, были ли они просто загрязнением, проникшим уже после того, как он упал на Землю (например, они могли попасть на куски метеорита, когда их поднимали с земли, или в ходе дальнейшего обращения). Измерение соотношения изотопов Углерода 13C/12C разрешило эту проблему: соотношение в урациле (C4H4N2O2), одной из аминокислот, более чем на 5 % превышало атмосферное, в то время как у наземных организмов оно, как правило, на 2 % ниже атмосферного, поскольку жизнь неохотно принимает тяжелые изотопы (см. гл. 10). В настоящее время в метеорите распознано в общей сложности более семидесяти аминокислот, в том числе восемь из двадцати, обнаруженных в живых существах, а также более 14 000 других органических соединений11.
Однако интереснее всего в нынешнем контексте было другое открытие: оказалось, что аланин (C3H7NO2), еще одна аминокислота, найденная в веществе метеорита, имел избыток «левых» молекул. Сперва это вновь вдохновило сторонников гипотезы о загрязнении, но в дальнейшем удалось показать, что в изовалине (C5H11NO2), который не входит в число двадцати основных аминокислот, также присутствует избыток «левых» молекул. Это убедительно доказывало, что к такому предпочтению привел какой-то небиологический процесс. В метеорите, недавно упавшем в Коста-Рике, также содержался изовалин, в данном случае с 15-процентным избытком «левых» молекул12.
В январе 2000 года, ознаменовав наступление нового тысячелетия (хотя и с опозданием на восемнадцать дней), огненный шар озарил утреннее небо на северо-западе Канады, над границей Британской Колумбии и территории Юкон. Предполагаемая масса приближающегося метеора составляла 66 тонн, хотя предполагается, что вся она, за исключением примерно 2 %, сгорела во время его пребывания в атмосфере еще до того, как он упал на лед озера Тагиш. В конечном итоге исследователи собрали около 10 кг фрагментов (только 1 % от общего количества выпавших обломков) и обнаружили, что такие аминокислоты, как треонин, серин, аспарагиновая кислота и глутаминовая кислота, имеют поразительный избыток левосторонних молекул: 99 %, 80 %, 45 % и 50 % соответственно13. Аланин был обогащен левосторонними молекулами только на 8 % (хотя они все равно неизменно присутствовали в избытке). В этих аминокислотах содержался повышенный уровень13C, что исключало загрязнение. В ходе лабораторных исследований аспарагиновой кислоты удалось установить, что она может образовывать кристаллы, которые оказываются либо только левосторонними, либо только правосторонними, либо представляют собой равное смешение лево- и правосторонних молекул. А кроме того, выяснилось, что различные температуры и концентрации по-разному влияют на результат14.
Кажется, что левосторонние аминокислоты всегда преобладают, хотя в большинстве случаев превышение скромное, если не считать проб, взятых на озере Тагиш. Достаточно ли этого небольшого смещения, чтобы уверенно утверждать, что вся жизнь – левонаправленная? В 2008 году Рон Бреслоу, мой покойный коллега из Колумбийского университета и бывший президент Американского химического общества, выступил на ежегодном собрании общества с докладом, в котором сообщил о том, как умеренный дисбаланс левых и правых молекул можно увеличить, создав условия, которые могли существовать на первобытной Земле. Вместе с Минди Левайн, аспиранткой Колумбийского университета (ныне она – профессор Род-Айлендского университета), он показал, что добавление предшественников аминокислот (фрагментов полных молекул) к раствору «левых» молекул приводит к образованию большего количества последних. Более того, если начать с раствора, содержащего лишь 5-процентный избыток «левых» аминокислот, равное количество «левых» и «правых» молекул будет кристаллизоваться и выпадать из раствора в осадок, оставляя преобладающую левостороннюю популяцию в воде15. Получается, что небольшие излишки, доставленные метеоритами на Землю в ее самые ранние дни, могли возобладать среди предшественников жизни – и устремиться, словно каскад, к «левонаправленному» миру, в котором мы живем сегодня, 4,5 миллиарда лет спустя16.