Как в образцах астероида Рюгу от JAXA оказались пять «букв» ДНК?

Маленький черный камень, большое заявление: в образцах астероида обнаружены генетические «буквы»

В этом месяце в Японии в лабораторных условиях под сверхчистыми вытяжными шкафами исследователи вскрыли капсулу, доставленную аппаратом Hayabusa2 на Землю в 2020 году, и сделали поразительное заявление: образцы астероида содержат генетические молекулы, которые долгое время считались продуктом исключительно земной химии. Группа биогеохимиков, работающая с японскими центрами хранения образцов, сообщила об обнаружении всех пяти канонических нуклеотидных оснований — молекулярных «букв», составляющих ДНК и РНК, — в двух крошечных фрагментах богатого углеродом астероида Ryugu. Эти фрагменты составляют лишь малую часть из 5,4 грамма материала, возвращенного миссией; само открытие основывается на тщательной экстракции и масс-спектрометрическом анализе, проведенном в чистых лабораториях для снижения риска загрязнения.

Почему это важно сейчас: образцы астероидов содержат генетические ключи к химии ранней Земли

У нас уже были намеки на то, что космические камни обладают сложной органической структурой: метеориты, такие как Murchison и Orgueil, давно поставляли аминокислоты и некоторые нуклеотидные основания, а OSIRIS-REx от NASA доставил материал с астероида Bennu, в котором ранее был обнаружен полный набор нуклеотидных оснований. Результаты изучения Ryugu актуальны тем, что они дополняют этот список вторым неповрежденным образцом, собранным непосредственно с астероида и обработанным в строго контролируемых условиях. Для исследователей происхождения жизни это укрепляет теорию о том, что исходные молекулярные ингредиенты наследственности не были редкой диковиной на Земле, а, вероятно, присутствовали во всей ранней Солнечной системе и могли быть занесены на молодую планету во время периода тяжелой бомбардировки.

В образцах астероидов найдены генетические буквы: что именно обнаружили на Ryugu?

Идентифицированные молекулы — это пять канонических нуклеотидных оснований: аденин, гуанин (пурины), а также цитозин, тимин и урацил (пиримидины). Это азотсодержащие гетероциклы, которые при соединении с сахарами и фосфатами образуют нуклеотиды — мономерные звенья РНК и ДНК. Команда Ryugu использовала экстракцию растворителем с последующей очисткой и масс-спектрометрией высокого разрешения, чтобы выделить эти соединения из сложных органических смесей. Важно отметить, что исследователи сообщили об обнаружении одних и тех же пяти оснований в каждом из двух проанализированных фрагментов, что снижает вероятность того, что сигнал поступил от одной загрязненной частицы.

Образцы астероидов демонстрируют генетическое разнообразие — сравнение Ryugu, Bennu и метеоритов

Результат Ryugu получен не в изоляции. Bennu, цель миссии NASA OSIRIS-REx, показал аналогичный полный набор нуклеотидных оснований в анализах, опубликованных в прошлом году, а земные метеориты, такие как Murchison и Orgueil, ранее демонстрировали запасы нуклеобаз. Однако эти три тела различаются в деталях: на Ryugu наблюдается примерно сбалансированное содержание пуринов и пиримидинов, Bennu и Orgueil богаче пиримидинами, в то время как Murchison тяготеет к пуринам. Эти различия, по-видимому, коррелируют с наличием аммиака и другими химическими параметрами внутри родительских тел, что позволяет предположить, что небольшие вариации в химии астероидов могут влиять на то, какие нуклеотидные основания формируются или сохраняются.

Лабораторная строгость, риск загрязнения и методы проверки

Один из первых вопросов, возникающих при утверждении, что «образцы астероидов содержат генетические молекулы», заключается в том, не попали ли эти молекулы с Земли. Образцы Hayabusa2 обрабатывались в стерильных условиях, предназначенных для исключения земной органики; аналитики использовали крошечные массы образцов, экстракцию растворителями, а также многочисленные контрольные пробы и стандарты. Команда также сравнила результаты с метеоритами, упавшими на Землю десятилетия назад — камнями, более подверженными загрязнению, — чтобы показать идентичные сигнатуры в независимых внеземных источниках. Тем не менее, вопрос загрязнения никогда не считается закрытым: следы земных соединений могут быть очень стойкими, и научное сообщество будет ожидать от независимых лабораторий повторных измерений на отдельных аликвотах, прежде чем считать открытие окончательно подтвержденным.

Что это доказывает — и, что более важно, чего не доказывает — в отношении жизни на Земле

Обнаружение пяти нуклеотидных оснований на Ryugu говорит нам о том, что химические субъединицы генетических полимеров могут формироваться в космосе и храниться в богатых углеродом астероидах миллиарды лет. Это не доказывает, что основания прибыли на Землю уже собранными в функционирующие РНК или ДНК, и не доказывает, что эти молекулы полимеризовались там в более длинные цепи. Важно отметить, что обнаружены именно основания, а не нуклеотиды или целые нити нуклеиновых кислот; сахара и фосфатные группы, а также химические связи, соединяющие их в полимеры, являются дополнительными и более сложными этапами. Таким образом, хотя эти данные подкрепляют версию о том, что астероиды пополнили пребиотический запас Земли, они не являются доказательством того, что жизнь «прилетела» из космоса.

Как эти ингредиенты могли (или не могли) стать основой биологии

Астероиды могут доставлять органику двумя способами: хрупкие молекулы, заключенные в гидратированных минералах, могут быть защищены от полного термического разрушения при входе в атмосферу, или же более устойчивая тугоплавкая органика может сохраниться в виде пыли и твердых частиц. Лабораторное моделирование показывает, что некоторые нуклеотидные основания могут выдерживать ударные нагрузки и нагрев, но важны показатели выживаемости и концентрации: пребиотической химии необходим постоянный приток и подходящая микросреда для концентрации, связывания и стабилизации молекул в полимеры. Короче говоря, доставка обеспечивает детали мозаики, но у нас все еще нет веских доказательств того, что эти детали прибыли в нужное место, в нужной концентрации и химическом составе, чтобы собраться в первые репликаторы.

Институциональные стимулы, недостающие данные и ограничения современных методов анализа

Открытие проливает свет как на научные стимулы, так и на химию. Национальные программы по возврату образцов — Hayabusa2 от JAXA и OSIRIS-REx от NASA — имеют уникальный доступ к тщательно охраняемым, незагрязненным материалам, поэтому они естественным образом задают стандарты. Но эти программы доставляют грузы весом всего в несколько граммов; для анализа обычно используются миллиграммовые или субмиллиграммовые пробы, что ограничивает статистическую значимость и возможность изучить неоднородность состава астероида. Нам все еще нужны более крупные наборы образцов и независимые лаборатории, проводящие «слепое» дублирование исследований. Среди других недостающих данных — информация о сахарах-партнерах, химии фосфатов, хиральности молекул и изотопных соотношениях, которые могли бы более убедительно связать органику с подлинно внеземным происхождением, а не с незначительным загрязнением.

Этика, политика и неравномерная география исследований происхождения жизни

Громкие миссии по возврату образцов концентрируют научный авторитет в нескольких лабораториях и странах, контролирующих хранение и первоочередной доступ. Такая централизация ускоряет открытия, но также формирует интерпретацию того, что значат эти доказательства. Исследователям вне основных команд должен предоставляться своевременный и прозрачный доступ к пробам для независимой проверки; иначе сообщество рискует чрезмерно оптимистично истолковать первоначальные результаты. Структура финансирования также имеет значение: лаборатории химии происхождения жизни и пребиотического моделирования, как правило, недофинансируются по сравнению с инженерными затратами на миссии по возврату образцов, что создает разрыв между аппаратными миссиями и последующими научными исследованиями, необходимыми для проверки их значимости.

Геном точен; мир, в котором он обитает, — совсем нет. Находка на Ryugu уточняет наше представление о пребиотическом богатстве Солнечной системы, но оставляет сложные вопросы о синтезе, концентрации и полимеризации на Земле по-прежнему открытыми.

Источники

• Nature Astronomy (научная статья об обнаружении нуклеотидных оснований в образцах Ryugu)
• Japan Aerospace Exploration Agency (хранение и возврат образцов Hayabusa2)
• NASA (анализ образцов Bennu, доставленных OSIRIS-REx)