Исследователи из Института наук Токио обнаружили неожиданную роль кальция в формировании первых молекулярных структур жизни. Их работа раскрывает, как кальциевые ионы могли способствовать появлению гомохиральности — уникального свойства биомолекул, при котором ДНК состоит из правосторонних сахаров, а белки — из левосторонних аминокислот. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Хиральность — это свойство молекул существовать в двух формах, являющихся зеркальным отражением друг друга, подобно правой и левой руке. В природе хиральные молекулы могут встречаться в равных пропорциях, но живые организмы предпочитают только одну из форм. Как возникла такая избирательность, долго оставалось загадкой.

Ученые изучали тартаровую кислоту, обладающую двумя хиральными центрами, чтобы понять, как условия ранней Земли могли повлиять на формирование однородных полимеров. Они обнаружили, что кальций значительно изменяет процесс полимеризации: без него чистые левосторонние или правосторонние молекулы легко объединяются в полиэфиры, а их равная смесь не образует полимеры. Однако в присутствии кальция ситуация меняется — он замедляет полимеризацию чистых форм, но способствует объединению смеси.

Этот эффект, по мнению ученых, объясняется двумя механизмами: кальций связывается с тартаровой кислотой, формируя кристаллы, которые избирательно удаляют равное количество молекул обеих форм, а также изменяет химию полимеризации оставшихся молекул. Такой процесс мог усилить даже небольшие различия в хиральности, что в конечном итоге привело к однородности современных биомолекул.

Особенно интересно, что полиэфиры — простые полимеры, образуемые молекулами типа тартаровой кислоты, — могли быть первыми гомохиральными структурами, даже раньше РНК, ДНК или белков.

Ученые подчеркнули влияние окружающей среды на формирование полимеров: кальций-бедные водоемы могли способствовать образованию гомохиральных структур, тогда как богатые кальцием среды способствовали смешанной хиральности.