Биохимия

Процесс зарождения жизни в нашем "теремке" начинается с абиогенного синтеза органики. На поверхности пиритового катализатора (FeS/NiS) в условиях гидротермального источника (85°C, pH 9.5) происходит восстановление углекислого газа. Молекулярный водород (H₂) выступает как донор электронов, а атомы никеля в кристаллической решётке пирита координируют молекулы CO₂, облегчая их преобразование. В результате образуется формиат (HCOOH) — простейшая карбоновая кислота, которая при участии железо-никелевого катализатора далее превращается в ацетат (CH₃COOH). Этот процесс экзергоничен (ΔG = -18 кДж/моль) и обеспечивает начало органического синтеза.

Следующий этап, образование пептидов, происходит на поверхности монтмориллонитовой глины. Её слоистая структура с катионами алюминия (Al³⁰) создаёт идеальные условия для конденсации аминокислот. Например, глицин и аланин соединяются в дипептид глицилаланин, при этом молекулы воды удаляются благодаря дегидратирующим свойствам глины. В таких условиях за две недели при 90°C образуются олигопептиды длиной до 12 аминокислотных остатков, некоторые из которых уже проявляют слабую каталитическую активность.

Параллельно идёт процесс самосборки мембран. Жирные кислоты с длиной цепи C₁₆ при достижении критической концентрации (ККМ) спонтанно формируют мицеллы, которые в определённых условиях (pH ≈ 6.5) перестраиваются в более сложные везикулярные структуры диаметром 100-500 нм. Эти протоклеточные пузырьки обладают полупроницаемыми мембранами: они способны удерживать олигонуклеотиды внутри, но пропускают ионы натрия и другие малые молекулы.

Переход к миру РНК является ключевым этапом эволюции. Первые рибозимы, такие как примитивная РНК-полимераза, могли катализировать собственную репликацию, используя энергию гидролиза нуклеозидтрифосфатов (NTP → NMP + PPi, ΔG = -45 кДж/моль). Однако высокая частота ошибок (около 10⁻² на нуклеотид) ограничивала длину устойчивых молекул 100-200 нуклеотидами. Важнейшими рибозимами были предшественники современных пептидил-трансфераз, катализировавших образование пептидных связей.

Появление ДНК стало революционным усовершенствованием. Прото-фермент рибонуклеотид-редуктаза преобразовывала рибонуклеотиды в дезоксиформы, а примитивная обратная транскриптаза обеспечивала переход от РНК к более стабильной ДНК. Это дало существенное преимущество: если РНК разрушается со скоростью около одной гидролитической атаки в год, то ДНК может сохраняться до 1000 лет в тех же условиях.

Отметим, что современные эксперименты подтверждают реалистичность этого сценария. В 2023 году удалось создать протоклетки с самовоспроизводящейся РНК (12-мер), липидными мембранами и примитивной АТФ-синтазой на основе пептидов, которые прошли 5 поколений автономной эволюции.

Так появилась жизнь: от простых органических молекул до сложных самовоспроизводящихся систем.

К вопросу рационализации Репки
К вопросу рационализации Курочки-рябы
К вопросу о рационализации колобка

Окружающая среда внутри помещений содержит множество источников химических соединений. К ним относятся постоянные выбросы, производимые строительными материалами, такими как мебель, полы и другие предметы интерьера, а также периодические интенсивные выбросы, возникающие в результате деятельности человека, такой как приготовление пищи, курение и уборка.

Химические вещества из наружного воздуха также могут попадать в помещения через инфильтрацию и вентиляцию. Озон (O3), поступающий извне, может вступать в реакцию с соединениями, находящимися внутри помещения, образуя сложный химический коктейль в жилом помещении. Поскольку люди проводят до 90% своего времени в помещении, воздействие этого разнообразного набора химических соединений в течение длительного времени вызывает беспокойство, особенно в связи с тем, что воздействие многих таких химических веществ на здоровье человека остается малоизученным. Окружающая среда внутри помещений содержит множество источников химических соединений. К ним относятся постоянные выбросы, производимые строительными материалами, такими как мебель, полы и другие предметы интерьера, а также периодические интенсивные выбросы, возникающие в результате деятельности человека, такой как приготовление пищи, курение и уборка.

Химические вещества из наружного воздуха также могут попадать в помещения через инфильтрацию и вентиляцию. Озон (O3), поступающий извне, может вступать в реакцию с соединениями, находящимися внутри помещения, образуя сложный химический коктейль в жилом помещении. Поскольку люди проводят до 90% своего времени в помещении, воздействие этого разнообразного набора химических соединений в течение длительного времени вызывает беспокойство, особенно в связи с тем, что воздействие многих таких химических веществ на здоровье человека остается малоизученным.

Основываясь на своих выводах, полученных в 2022 году, исследовательская группа Джонатана Уильямса из Химического института Макса Планка более подробно рассмотрела, как средства личной гигиены могут влиять на окислительный процесс в организме человека. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

"Учитывая, что окислительное поле человека влияет на химический состав воздуха в зоне дыхания и вблизи кожи, это влияет на потребление нами химических веществ, что, в свою очередь, влияет на здоровье человека. Поэтому представляет интерес изучить, как средства личной гигиены могут влиять на силу и пространственную протяженность самогенерируемого ОН-поля", - объясняет Уильямс.

Экспериментальные измерения, проведенные командой Макса Планка, были проведены при поддержке Манабу Шираивы и его команды из Калифорнийского университета (Ирвин, США) и группы Донхена Рима из Университета штата Пенсильвания.

"Наша команда использовала уникальный подход для моделирования концентраций химических соединений вблизи человека в помещении", - сказал Ширайва. "Мы разработали современную химическую модель, которая может имитировать реакции озона с кожей и одеждой человека, которые могут привести к образованию полулетучих органических соединений".

"Мы применили трехмерную компьютерную гидродинамическую модель для моделирования эволюции окислительного поля вокруг людей", - сказал Рим. "Этот комплексный подход к моделированию подчеркивает влияние средств личной гигиены на окислительное поле человека".

Средства личной гигиены влияют на окислительную систему человека.

Сначала исследователи изучили, как нанесение лосьона для тела влияет на химический состав кожи испытуемых. Затем они исследовали, как духи, нанесенные на кожу, влияют на химический состав воздуха в помещении. В обоих случаях Уильямс и его команда увидели, что концентрация OH вокруг добровольцев снизилась. Это означает, что она уменьшилась по сравнению со стандартным случаем без косметики, когда озон воздействует на кожу человека с образованием газофазных продуктов, которые в воздухе снова вступают в реакцию с озоном, образуя OH.

Что касается духов, то исследователи объясняют снижение содержания OH основным компонентом духов - этанолом: он вступает в реакцию с OH, расходуя его, поскольку этанол не выделяет OH при взаимодействии с озоном.

"Что касается лосьона для тела, то мы можем объяснить это снижение двумя способами. Один из них заключается в том, что феноксиэтанол — химическое вещество, входящее в состав лосьона для тела, — вступает в реакцию с ОН, но не образует ОН с озоном. Это то же самое, что духи с этанолом. Второе объяснение заключается в том, что лосьон для тела просто мешает озону вступать в реакцию со скваленом на коже", - утверждает химик-атмосферист Уильямс.

"Совместное применение отдушки и лосьона показало, что отдушки влияют на реактивность и концентрацию ОН в течение более коротких периодов времени, в то время как лосьоны оказывают более стойкое воздействие, что согласуется с уровнем выделения органических соединений из этих средств личной гигиены", - резюмирует Нора Заннони, первый автор исследования. В настоящее время она работает в Институте наук об атмосфере и климате в Болонье, Италия.

Значение для химии в помещении.

Несмотря на то, что на рынке существуют тысячи различных ароматов и лосьонов, международная исследовательская группа на основе своих тестов делает несколько общих выводов, применимых к любому продукту.

Согласно новым результатам этого исследования, можно ожидать, что аромат, применяемый в помещении, подавляет окислительное поле человека. В отличие от ароматизаторов, состав лосьонов более разнообразен. Несмотря на их разнообразный состав, ожидается, что большинство лосьонов подавят окислительный процесс в организме человека за счет сочетания разбавления компонентов кожного жира и уменьшения взаимодействия между O3 и кожей.

Кроме того, продаваемые лосьоны содержат консерванты, действующие как антимикробные агенты. Широко используется феноксиэтанол, который также способствует подавлению окислительного процесса в организме человека, вступая в реакцию с радикалами ОН, что экспериментально продемонстрировано в этом исследовании.

"Если мы покупаем диван у крупной мебельной компании, то перед поступлением в продажу он проходит проверку на вредные выбросы. Однако, когда мы садимся на диван, мы естественным образом преобразуем некоторые из этих выбросов из-за создаваемого нами окислительного поля. Это может привести к образованию множества дополнительных соединений в зоне нашего дыхания, свойства которых недостаточно известны или изучены. "Интересно, что и лосьон для тела, и духи, похоже, ослабляют этот эффект", - говорит Уильямс.

Эксперименты проводились в Датском техническом университете (DTU) в Копенгагене в 2021 году. Четверо испытуемых находились в специальной камере с климат-контролем в стандартных условиях. Озон добавлялся в воздух, поступающий в камеру, в количестве, которое не было вредным для человека, но соответствовало более высокому уровню содержания ОН в помещении. Команда определила концентрацию ОН косвенно, определив количество отдельных источников ОН и общую скорость потери ОН. Поле OH создавалось только при наличии озона.

Объединив измерения температуры воздуха внутри камеры с моделированием, они рассчитали влияние лосьона и ароматизатора на окислительную активность человека.

Эти результаты являются частью проекта ICHEAR (Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity Project), в котором приняла участие группа сотрудничающих международных ученых из Дании (DTU), США (Университет Ратгерса) и Германии (MPI). Моделирование было частью проекта MOCCIE, базирующегося в Калифорнийском университете в Ирвайне и Университете штата Пенсильвания

Как это работает?

Исследования показывают, что у живых организмов уровень UPE значительно выше, чем у недавно умерших. Это как индикатор жизненной энергии! У мышей, например, уровень излучения был рано связан с их жизненной силой, что вызывает восхищение. А вот растения реагируют на стресс — увеличивается или уменьшается интенсивность UPE в зависимости от условий, например, от температуры или химических воздействий.

Представьте себе, что ваше тело огромное химическое предприятие, где постоянно происходят реакции. Эти реакции создают высокореактивные кислородсодержащие moléculы, известные как реактивные кислородсодержащие виды (РОС). Это своего рода «побочная продукция» вашего метаболизма, которая, как выяснили ученые, непосредственно связана с UPE.

Почему это важно?

Здесь вся ерунда становится по-настоящему интересной. Когда живые организмы подвергаются стрессу, они активируют биохимические пути, которые производят РОС. Эти молекулы действуют как сигналы для клеток, но если их становится слишком много, это может привести к окислительному стрессу. Этот стресс запускает процессы, которые мы ничего об этом не знаем. Так что вся технология UPE становится важнейшим инструментом для наблюдения за состоянием организмов!

Выбор инструментов для исследования был достаточно продуманным. Ученые использовали специальные камеры, которые могут игнорировать свет из окружающей среды. Так они смогли визуализировать UPE, сравнивая живые организмы с мертвыми. Например, теплота тела мышей не повлияла на результаты: живые мыши демонстрировали значительную эмиссию света, в то время как у эвтаназированных она была практически отсутствующей.

Что касается растений, то был установлен интересный факт: повышенная температура и травмы влияют на уровень их светового излучения. Поврежденные участки растений светились ярче, чем неповрежденные. Это как получать сигнал о том, что растению нужна помощь!

Таким образом, UPE может стать ключом к более глубокому пониманию жизни на Земле. Исследования показывают, что отслеживание этого явления может быть мощным неинвазивным инструментом в диагностике стрессов и заболеваний как у животных, так и у растений. Эта техника может открывать новые горизонты для клинической диагностики и биологических исследований.

Туберкулез – это не просто медицинский термин, это бич XXI века, который уносит более миллиона жизней каждый год. Представляете себе? 10 миллионов человек ежегодно заражаются этой коварной инфекцией, и все это время наши микробы-туберкулезники продолжают прятаться от нашей иммунной системы! Но есть свет в конце туннеля – команда химиков из MIT придумала, как упростить изучение этих бактерий, и, возможно, даже спасти множество жизней.

Гликаны? Что это такое?

Если вы когда-либо пытались разобраться в микробиологии, то, вероятно, уже слышали о гликанах. Это сложные молекулы сахара, которые образуют толстую защитную оболочку бактерий, в том числе и Mycobacterium tuberculosis. Разобраться в их роли – это как читать детективный роман: нужно выяснять, кто есть кто, и как работает эта сложная сеть.

К сожалению, до сих пор выяснить, как именно гликаны защищают бактерии, было непросто. Здесь и подоспели наши герои из MIT, которые сумели преодолеть это препятствие!

Исследователи разработали способ маркирования специфического гликана, известного как ManLAM. Давайте представим это так: вы идете на вечеринку, и хотите знать, кто кого подмешивает. Вместо того чтобы пытаться распознать каждого по отдельности, вы помечаете ключевую фигуру, чтобы понять, как она взаимодействует с другими.

В данном случае химики использовали молекулу, способную реагировать с селективными сульфурсодержащими сахарами, и это сработало! Они смогли методом оксазиридина маркировать ManLAM и визуализировать его местоположение в клеточной стенке Mycobacterium tuberculosis.

Как это поможет в диагностике туберкулеза?

Сейчас самое интересное: этот подход может привести к разработке нового типа диагностического теста! Представьте себе - диагностика, которая может обнаруживать туберкулезные гликаны в образцах мочи! Это было бы настоящей находкой, особенно в развивающихся странах, где традиционные методы диагностики могут быть труднодоступны или медленны.

Современные методы, как рентген и молекулярная диагностика, не всегда доступны. К тому же, анализы с образцами мокроты часто дают высокое количество ложноположительных результатов. Не говоря уже о том, что детям бывает сложно предоставить образец! Новые тесты могли бы значительно ускорить диагностику и обеспечить более точные результаты.

Почему это так важно?

Исследование показало, что ManLAM остается в клеточной стенке бактерий даже через несколько дней после инфицирования. Это открытие ставит под сомнение существующие теории о том, как бактерии взаимодействуют с иммунной системой. Вместо того чтобы "сбросить" гликаны, Mycobacterium tuberculosis прячется за их защитой, что делает его трудной целью для нашего иммунитета.

Так что, с помощью этого нового метода, исследователи могут не только отслеживать бактериальные клетки, но и изучать, как они реагируют на антибиотики или как они уклоняются от атаки иммунной системы. Это действительно откроет новые горизонты в борьбе с туберкулезом!

Это исследование демонстрирует, как инновации в области химии могут резко изменить подход к инфекционным заболеваниям. Если MIT продолжит в том же духе, у нас есть большая надежда на создание эффективных и доступных методов диагностики и лечения туберкулеза. И, возможно, в ближайшем будущем мы наконец-то сможем поставить "конец" этому опасному заболеванию. Так что, держите кулаки, и следите за новыми открытиями!