Учёные выяснили, почему рибоза стала основой для РНК

Сахар рибоза фосфорилируется быстрее по сравнению с другими сахарами, имеющими ту же химическую формулу, но иную структуру. Это избирательное фосфорилирование может объяснить, почему именно рибоза стала сахаром в составе РНК. Автор: Scripps Research

В современных живых организмах сложные молекулы, такие как РНК и ДНК, синтезируются с помощью ферментов. Но как эти молекулы могли образоваться до появления жизни (и ферментов)? Почему именно некоторые молекулы стали строительными блоками жизни, а другие — нет? Новое исследование учёных из Scripps Research помогает ответить на эти давние вопросы.

Результаты, опубликованные в химическом журнале Angewandte Chemie, показывают, как рибоза могла стать «сахаром выбора» для формирования РНК. Статья озаглавлена «Выбор рибофуранозного изомера среди пентоз путём фосфорилирования диамидофосфатом».

Исследователи обнаружили, что рибоза связывается с фосфатом — другим молекулярным компонентом РНК — быстрее и эффективнее, чем другие сахара. Эта особенность могла способствовать тому, что именно рибоза вошла в состав молекул жизни.

«Это подтверждает идею, что подобная пребиотическая химия могла создать строительные блоки РНК, которые затем привели к появлению структур, демонстрирующих свойства жизни», — говорит ведущий автор исследования Раманараянан Кришнамурти, профессор химии в Scripps Research.

Нуклеотиды, строительные блоки РНК и ДНК, состоят из пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы), связанного с фосфатной группой и азотистым основанием (частью молекулы, кодирующей информацию, например, A, C, G или U).

Исследование Кришнамурти направлено на понимание того, как эти сложные молекулы могли возникнуть на primordial Earth. В частности, данная работа сосредоточена на фосфорилировании — этапе сборки нуклеотидов, когда рибоза соединяется с фосфатной группой.

«Фосфорилирование — одна из базовых химических реакций жизни; оно необходимо для структуры, функции и метаболизма, — объясняет Кришнамурти. — Мы хотели выяснить, могло ли фосфорилирование также играть фундаментальную роль в изначальном процессе, который положил начало всему этому».

Из предыдущих работ команда знала, что рибоза может фосфорилироваться при взаимодействии с молекулой-донором фосфата, называемой диамидофосфатом (DAP).

В этом исследовании они хотели проверить, могут ли другие похожие сахара также участвовать в этой реакции или же рибоза обладает уникальными свойствами.

Для этого учёные провели контролируемые химические реакции, чтобы сравнить скорость и эффективность фосфорилирования рибозы DAP с тремя другими сахарами, имеющими тот же химический состав, но иную структуру (арабинозой, ликсозой и ксилозой). Затем они использовали метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чтобы проанализировать полученные молекулы.

Оказалось, что хотя DAP мог фосфорилировать все четыре сахара, реакция с рибозой протекала значительно быстрее. Кроме того, в случае с рибозой образовывались исключительно пятичленные кольцевые структуры (как в РНК и ДНК), тогда как другие сахара формировали смесь пяти- и шестичленных колец.

«Это действительно показало нам разницу между рибозой и другими сахарами, — говорит Кришнамурти. — Рибоза не только реагирует быстрее, но и избирательно образует пятичленные кольца, которые мы видим в РНК и ДНК сегодня».

Когда учёные добавили DAP в раствор с равным количеством всех четырёх сахаров, он предпочтительно фосфорилировал рибозу. При этом другие сахара «застревали» на промежуточной стадии реакции, тогда как значительная часть молекул рибозы превращалась в форму, способную реагировать с азотистым основанием с образованием нуклеотида.

«Мы получили два в одном: показали, что рибоза избирательно фосфорилируется в смеси сахаров, и что этот процесс создаёт молекулу, подходящую для формирования РНК, — объясняет Кришнамурти. — Это был бонус. Мы не ожидали, что реакция остановится на стадии, благоприятной для производства нуклеотидов».

Исследователи подчёркивают, что даже если эти реакции могут происходить абиотически, это не означает, что именно они привели к возникновению жизни.

«Изучение таких процессов помогает понять, какие механизмы могли привести к образованию молекул, составляющих основу жизни сегодня. Но мы не утверждаем, что именно этот отбор привёл к появлению РНК и ДНК — это слишком смелое заявление», — отмечает Кришнамурти.

В дальнейшем команда планирует проверить, может ли эта химическая реакция происходить внутри примитивных клеточных структур — «протоклеток».

«Следующий вопрос: может ли рибоза избирательно накапливаться внутри протоклетки и дальше реагировать с образованием нуклеотидов? — говорит Кришнамурти. — Если нам удастся это продемонстрировать, это может создать условия для роста и деления протоклетки — именно то, что лежит в основе нашего собственного развития».

Дополнительная информация: Harold A. Cruz et al, Selection of Ribofuranose‐Isomer Among Pentoses by Phosphorylation with Diamidophosphate, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202509810

Источник: The Scripps Research Institute