Цианистый водород и математическая химия: ребус происхождения жизни

Мартин Ханчиц (Martin Hanczyc) из Университета Южной Дании посвятил всю свою научную жизнь этой проблеме. Его доклад на научно-популярной конференции TED 2011 года красноречиво повествует о размытой границе между жизнью и не-жизнью.

Теперь Ханчиц надеется выявить первых «нарушителей» этой границы, обратившись к новому вычислительному методу, для расчета того, как усложнялись простые молекулы (цианистый водород, например).

«Цианистый водород [или синильная кислота, HCN] – очень простая молекула: всего три атома… но она может соединяться с другими веществами, образуя более сложные молекулы. Некоторые из них не менее сложны, чем биологические молекулы. Так что если вам нужен исходный материал для биохимии клетки, это хорошее начало», - рассказывает Ханчиц.

В частности, цианистый водород сыграл свою роль в образовании аденина, одного из структурных элементов ДНК и РНК. Каскад реакций, ведущих к синтезу аденина, был впервые открыт в 1960-е годы, но вероятность того, что синильная кислота «дорастет» до биологически значимых молекул, пока неизвестна.

«Мы не представляем себе весь ландшафт реакций… Только с ним мы могли бы интуитивно понять, каковы шансы цианистого водорода дать начало чему-то биологически значимому», - говорит Ханчиц.

Эта тема важна потому, что цианистый водород – очень распространенное вещество во Вселенной. Если существуют сотни способов выработки аденина из HCN, то этот элемент жизни, возможно, уже синтезируется на далеких экзопланетах, открытых «Кеплером».

Чтобы обнаружить вероятные «пути» к аденину, Ханчиц обратился за помощью к математике. Последние два года он сотрудничает с Даниэлем Меркле (Daniel Merkle) с факультета математики и вычислительной техники университета.

С помощью математических моделей Меркле может отобразить триллионы возможных молекул и каскадов реакций с участием цианистого водорода. Сравнив полученную «карту» с экспериментальными результатами из лаборатории Ханчица, Меркле сужает поле и начинает находить интересные закономерности.

«Реакции с участием цианистого водорода дают триллион возможных молекул. Мы спрашиваем – если ли там структурное [математическое] свойство, интересное с химической точки зрения?», - рассказывает Меркле.

Например, если одна из молекул обладает математическим свойством, аналогичным саморепликации, она становится хорошим кандидатом для дальнейших экспериментов в лаборатории. Этот подход был подробно описан Ханчицем во вступительной речи, открывшей Европейскую конференцию по искусственной жизни в Таормине (Италия) пятого сентября.

«Жизнь появилась из хаоса – так как же всё организовать? Один из способов – получить химические реакции, которые сами себя подкрепляют. Но в реальности реакции такого типа найти совсем не легко. Нам нужно новые инструменты – чтобы разобраться в сложности [химических] систем, которые потребуется создать для ответа на эти научные вопросы», - заявил Ханчиц.

Так называемая «генеративная химия», когда математики дают экспериментаторам «меню», на котором те концентрируют свои усилия – вот один из путей к пониманию происхождения жизни.

И, если Ханчиц и Меркле обнаружат продукт реакции цианистого водорода, способный к самовоспроизведению, это может указать на то, что где-то среди миллиардов молекул HCN, разбросанных по Вселенной, маленькое самореплицирующееся вещество делает свои первые шаги навстречу жизни.