Ученые выяснили, почему жизнь не может существовать без воды

Биологи из США пришли к выводу, что уникальная роль воды в формировании жизни обусловлена тем, что она критически важна для свертывания молекул белков и приобретения ими правильной формы, говорится в статье, опубликованной в журнале PNAS.

«Долгое время наши коллеги пытались понять, как вода взаимодействует с белками. Этот вопрос является фундаментальной проблемой в биологии, который касается того, как устроены белки, насколько они стабильны, как они меняются и как они работают. Мы полагаем, что у нас есть основания считать, что вода управляет флуктуациями белковых молекул на временных промежутках порядка пикосекунды», — заявил Дунпин Чжун (Dongping Zhong) из университета штата Огайо в Коламбусе (США).

Чжун и его коллеги пытались найти ответ на главный «вечный» вопрос биологии и истории развития жизни на Земле — почему именно вода стала тем «растворителем», в котором происходят все реакции внутри нашего организма и внутри всех живых клеток. На этот вопрос есть множество философских ответов, однако конкретного объяснения того, почему вода является уникальной для жизни молекулой, у ученых пока не было.

Авторы статьи нашли один из вариантов того, почему вода стала главной «жидкостью жизни», наблюдая за тем, как один из самых сложных и важных белков в наших клетках — ДНК-полимераза — чинит и копирует спирали генетического кода. Их интересовал не сам процесс сборки молекул ДНК, а то, как перемещались молекулы воды вокруг ДНК-полимеразы.

Так как молекулы воды и белка двигаются очень быстро, ученым пришлось пойти на хитрости для наблюдения за их движением — к примеру, они встроили в полимеразу аминокислоту триптофан, отсутствующую в ней в природе, которая светилась при облучении лазером и «подсвечивала» окружающую воду.

Подобное свечение возникает и гаснет очень быстро, что позволило команде Чжуна следить за сдвигами воды и молекулы белка с частотой в 10 триллионов кадров в секунду.

Данные наблюдения показали, что вода играет ключевую роль в процессе свертывания белка и удерживании им нужной формы, ограничивая движение «хвостов» ДНК-полимеразы в некоторые стороны. Это не давало белку рассыпаться на части и принять новую, неправильную форму, в которой его функции были бы нарушены. В выражении Чуна, молекулы воды образуют своеобразные «сети», которые гонят хвосты белка в нужные стороны.

Как подчеркивает биолог, данный вывод не означает, что вода обладает некой «памятью» или «структурой» — ее влияние на структуру белка обусловлено тем, как соединены друг с другом аминокислоты и как они взаимодействуют между собой и с молекулами воды. По всей видимости, это свойство могло помочь жизни появиться в «супе» из аминокислот и прочих кирпичиков жизни в первичном океане Земли 3,5–3,8 миллиарда лет назад.