Жидкие кристаллы жизни

Учёные из университетов Колорадо и Милана открыли неожиданную форму существования коротких кусочков ДНК в водном растворе – и предложили новое видение процесса зарождения жизни на Земле.
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
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
Кроме того...
Самая мелкая из дальних галактик
Группа астрономов из...
"Протон" упал из-за отказа рулевых машин
Ракета-носитель "Протон-М"...
  • Текущие обсуждения статей
Бионическая рука-протез
Телепортация - фантастика или реальность?
Ученые вывели формулу удачи
Смех не лечит раковых больных
Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания
Нью-Йорк и Лос-Анджелес уйдут под воду к 2015-му году
Посмотреть весь форум

  • поиск статей на сайте
Введите фразу, слово или часть слова
Темы этого номера
Немцы разработали презерватив-спрей
Немцы разработали презерватив-спрей Немцы разработали презерватив-спрей
Специалисты Condom Consultancy из Германии представили новое изобретение – спрей-презерватив
Ученые создали новую пероральную вакцину
Ученые создали новую пероральную вакцину Ученые создали новую пероральную вакцину
Японские ученые сообщили, что обнаружили новый вид белка
Японские железнодорожники разрабатывают новые скоростные суперэкспрессы
Японские железнодорожники разрабатывают новые скоростные суперэкспрессы Японские железнодорожники разрабатывают новые скоростные суперэкспрессы
Японская железнодорожная компания JR Higashi Nikon планирует приступить в 2013 году к эскплуатации скоростных экспрессов
Российские специалисты изобрели танцующих роботов
Российские специалисты изобрели танцующих роботов Российские специалисты изобрели танцующих роботов
Российские специалисты из ЗАО «Андроидные роботы» разработали уникальную серию роботов
Внеземная жизнь. Опыт первый
Внеземная жизнь. Опыт первый Внеземная жизнь. Опыт первый
3 ноября 1957 года на околоземную орбиту вышел «Спутник-2»
NASA на Сатурне. Часть четвёртая: Титан
NASA на Сатурне. Часть четвёртая: Титан NASA на Сатурне. Часть четвёртая: Титан
Недостающая компьютерная команда (результат человеческой ошибки) вызвала потерю половины снимков
Космические лучи зародились в недрах черных дыр
Космические лучи зародились в недрах черных дыр Космические лучи зародились в недрах черных дыр
Последние научные исследования в области астрономии показывают
Астрономы предложили две новые модели вспышек сверхновых
Астрономы предложили две новые модели вспышек сверхновых Астрономы предложили две новые модели вспышек сверхновых
Две группы западных ученых предложили конкурирующие объяснения вспышки сверхновой звезды феноменальной мощности
Эмбрионы от трех родителей
Эмбрионы от трех родителей Эмбрионы от трех родителей
Британские парламентарии обсуждают законопроект
Солнечные ванны замедляют процесс старения
Солнечные ванны замедляют процесс старения Солнечные ванны замедляют процесс старения
Солнечные ванны способны замедлить процесс старения до пяти лет, говорится в новом исследовании
7 самых огромных дыр на земле
7 самых огромных дыр на земле 7 самых огромных дыр на земле
В этой статье мы покажем фото самых больших дыр Земли. Без комментариев
Кевлар - история открытия
Кевлар - история открытия Кевлар - история открытия
В 1975 году новый материал, Kevlar, был выпущен на рынок
Мудрый ворон
Мудрый ворон Мудрый ворон
Недавние эксперименты показали, что вроны умеют логически мыслить

 
  • Главные темы / архив
№082текущий номер Технологии
Биоклиматическое здание
    

    

    

    

    

 
  • Человек
  • Планета Земля
  • История изобретений
  • Чёрный ящик
  • Мудрый воронМудрый ворон
    Недавние эксперименты показали, что вроны умеют логически мыслить
  • Воля случая
  • Технологии
  • Техника
  • Космос
066