Устойчивость альфа-аминокислот может объяснить их роль в зарождении жизни

Структура, образованная первичными пептидами, наблюдавшаяся с помощью светлопольной микроскопии. Автор: Лаборатория Френкель-Пинтер

Новое исследование Еврейского университета в Иерусалиме, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, проливает свет на одну из величайших загадок жизни: почему биология основана на очень специфическом наборе аминокислот, и в частности, почему природа выбрала альфа-аминокислоты в качестве основы для белков.

Исследование под руководством доктора Моран Френкель-Пинтер и членов её лаборатории Сары Фишер и Иши Эзерзера из Института химии и Центра нанонауки и нанотехнологий Еврейского университета, изучило свойства депсипептидов — простых пептидоподобных молекул, которые могли сформироваться на ранней Земле в результате естественных процессов.

В отличие от современных пептидов, депсипептиды содержат смесь сложноэфирных и амидных связей, что облегчает их образование в пребиотических условиях, но делает менее стабильными со временем.

Каждый живой организм на Земле формирует свои белки из одного и того же набора из 20 аминокислот. Почему именно этот набор? Новое исследование предполагает, что зависимость жизни от этих 20 аминокислот — не случайность. Ключевой вопрос, десятилетиями озадачивавший учёных: почему жизнь отдала предпочтение альфа-аминокислотам перед их бета- или гамма-аналогами, хотя все они были в изобилии на пребиотической Земле?

Чтобы проверить, сыграла ли роль молекулярная сборка, Френкель-Пинтер и её команда синтезировали депсипептиды, используя широкий спектр гидрокси- и аминокислот, а затем наблюдали за их способностью к самосборке в растворе.

Результаты оказались поразительными. Депсипептиды, построенные из альфа-кислот, легко формировали стабильные, каплевидные структуры, которые сохранялись в течение недель, даже после замораживания и оттаивания. В то же время бета-структуры, если и формировались, быстрее фазово разделялись в растворе и демонстрировали значительно более низкую физическую стабильность. Это различие, по мнению исследователей, могло стать решающим фактором в эволюционном «выборе» альфа-основы.

«Самосборка — одно из фундаментальных предварительных условий жизни, — сказала доктор Френкель-Пинтер. — Наши находки предполагают, что превосходная способность альфа-протопептидов формировать стабильные компартменты могла дать им решающее эволюционное преимущество, заложив основу для белковых структур, которые мы видим в современной биологии».

«Вопрос о том, почему эволюция выбрала конкретный набор аминокислот, оставался загадкой очень долгое время. Сделать даже один шаг к ответу на этот давний вопрос — замечательно, и для меня честь внести вклад в это исследование», — сказал Эзерзер, магистрант, совместно руководящий этим проектом вместе с Фишер.

«Мы впервые демонстрируем здесь способность депсипептидов к самосборке, подобно современным пептидам. Хотя эти находки являются прорывом в области химической эволюции, они также могут иметь будущие применения в других областях, таких как фармацевтическая промышленность», — сказала Фишер.

Исследование впервые напрямую сравнило свойства сборки альфа- и бета-протопептидных основ. Продемонстрировав, что стабильность на молекулярном уровне могла влиять на химическую эволюцию, исследование предлагает модель отбора, основанную на сборке, для самых ранних строительных блоков жизни.

Эти находки добавляют новое измерение в исследования происхождения жизни, предполагая, что не только химическая реакционная способность, но и способность к долговременной самосборке сформировали переход от пребиотической химии к биологии.

Дополнительная информация: Proto-peptide Backbone Affects Assembly in Aqueous Solutions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2500503122

Источник: Еврейский университет в Иерусалиме

Интересный факт: из 20 стандартных аминокислот, используемых в биосинтезе белков, 9 считаются незаменимыми для человека, поскольку наш организм не может их синтезировать и они должны поступать с пищей. Исследования происхождения жизни помогают понять не только как возникли первые белки, но и почему современные организмы используют именно этот специфический набор строительных блоков.