Жидкие кристаллы жизни

Жидкие кристаллы - вещества, переходящие при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью.

Профессор Ноэл Кларк из университета Колорадо в Болдере и его команда с удивлением обнаружили, что очень короткие части наследственной цепочки могут во вводном растворе самоорганизовываться в определенные жидкокристаллические фазы, самостоятельно ориентироваться в пространстве параллельно друг другу и выстаиваться в колонны. Статья, описывающая достижение международного коллектива ученых, опубликована в свежем номере Science.

Это открытие может послужить сильным аргументом в пользу концепции Опарина, согласно которой жизнь на Земле зародилась несколько миллиардов лет назад в так называемом доисторическом абиотическом супе – жидкой фазе, в которой образовались первые короткие последовательности молекул, близких по свойствам и морфологии к современным ДНК. Серьёзных конкурентов у этой теории так и нет, однако у неё есть одно очень слабое место – теория Опарина не в силах объяснить, как из небольших, по большому счёту, молекул, появились длинные цепочки ДНК, способные к самовоспроизведению.

Так как случайное образование таких длинных цепочек, как гибкая и универсальная молекула ДНК, практически нереально, ученые уже давно ищут механизм, позволяющий небольшим молекулам самоорагнизовываться, выбирать себе комплементарную пару (молекулу с подходящими размерами, формой и химическими свойствами), соединяться в цепочки и направленно повторять процесс самокопирования в большом количестве итераций.

Работа Кларка и его коллег, похоже, нащупала этот механизм. Новое исследование впервые показало, как в растворе коротких фрагментов ДНК происходит их селективная конденсация в каплеобразные образования, параметры среды внутри которых позволяют молекулам вступать в дальнейшие реакции соединения и образования более длинных цепочек с помощью выраженных способностей к формированию жидкокристаллических фаз.

По словам Кларка, процесс выглядел следующим образом: короткие отрезки двойной спирали ДНК самоорганизуются и выстраиваются в колонны, состоящие из многих и многих единичных фрагментов.

Кларк предполагает, что набор химреактивов в доисторическом абиотическом супе мог привести к спонтанному образованию небольших молекул, похожих структурно на короткие участки ДНК. Случайно образовать короткие куски таких молекул куда проще, чем всю длинную последовательность. Эти короткие молекулы, в силу определенной геометрии и химических свойств, могли собираться в капли жидкокристаллических фаз, селективное взаимодействие внутри которых и определило появление длинных цепочечных молекул.

Молекулы, образующие жидкокристаллические фазы, как правило, имеют вытянутую геометрию и такую полярность, которая позволяет им выстраиваться в большие упорядоченные молекулярные домены, внутри которых все молекулы имеют одинаковую пространственную ориентацию, что делает их особенно чувствительными к таким воздействиям, как изменение температуры или градиента электрического поля.

Жидкие кристаллы фрагментов ДНК под микроскопом

РНК и ДНК же, в свою очередь, – это длинные полимерные цепочки с большим количеством нуклеотидов, или азотистых оснований, которые с высокой селективностью вступают во взаимодействия с азотистыми основаниями второй цепочки. Этот принцип называется принципом комплементарности.

Комплементарность - в молекулярной биологии - взаимное соответствие, обеспечивающее связь дополняющих друг друга структур (макромолекул, молекул, радикалов) и определяемое их химическими свойствами. Комплементарность возможна, если поверхности молекул имеют комплементарные структуры, так что выступающая группа (или положительный заряд) на одной поверхности соответствуют полости (или отрицательному заряду) на другой. Иными словами, взаимодействующие молекулы должны подходить друг к другу, как ключ к замку.

Именно 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 продолжительность 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 которых одна длинная цепочка выстраивается параллельно другой. Фактором, способствующим параллельному ориентированию длинных молекул ДНК, является их вытянутая форма и большая длина.

Так, если вы высыпите в коробку пачку спагетти, а затем хорошенько её потрясете, в итоге все макаронины лягут более или менее параллельно друг другу.

Серия экспериментов, проделанная американскими и итальянскими учеными, была призвана показать способность также и очень коротких участков ДНК к образованию жидкокристаллической (ЖК) фазы. Исследование показало, что даже крохотные фрагменты цепочки, имеющие в своем составе всего шесть 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 несмотря на то, что у таких молекул вообще нет «длинной» стороны!

Структурный анализ ЖК-фаз показал, что своим появлением они обязаны способности коротких участков ДНК к состыковке своими концами. В результате такого «торцевого» взаимодействия возникают вытянутые по форме агрегаты. И хотя эти агрегаты не являются новыми, длинными молекулами, свойства их весьма близки к свойствам длинноцепочечных участков ДНК.

Стыковка отрезков ДНК оказалась возможна, благодаря наличию специфических химических свойств у концевых участков молекул, которые позволяют им обратимо притягиваться друг к другу, подобно магнитам, вытесняя молекулы воды между собой. Такое свойство молекул и веществ называется гидрофобностью. Взаимодействие молекул и образование вытянутых структур, равно как и жидкокристаллических фаз, ученые смогли наблюдать воочию, благодаря комбинации современных методик исследования материи.

Кларк доволен проделанной работой и полученными результатами, так как выводом из всего исследования является тезис о способности очень маленьких молекул «искать» себе партнеров, образовывать капли со строгой внутренней организацией молекул и таким образом содействовать образованию более крупных и длинных цепочек в водном растворе. Это знаковый кирпичик в теории возникновения жизни на нашей планете – вопросе спорном, обсуждаемом, но так и не разрешенном.

   
автор: Алексей Петров