Тисячі молекул живої матерії можуть породити мільйони, які стають дуже стійкими до деградації: Науковці розгадали таємницю "святого Граалю"

Таємниця, яка понад 50 років спантеличила наукове товариство, нарешті була розгадана. Команда з Університету Лінчепінга, Швеція, і Гельмгольца в Мюнхені виявила, що певний тип хімічної реакції може пояснити, чому органічна речовина, що міститься в річках і озерах, настільки стійка до деградації. Їхнє дослідження було опубліковано в журналі Nature.

«Це був святий Грааль у моїй галузі досліджень протягом понад 50 років», — каже Норберт Херткорн, вчений у галузі аналітичної хімії, який раніше працював у Мюнхенському університеті імені Гельмгольца, а зараз працює в Лінчепінгському університеті.

Давайте візьмемо це з самого початку. Коли, наприклад, листок відривається від дерева і падає на землю, він відразу починає руйнуватися. Перед тим, як лист розкладеться, він складається з кількох тисяч окремих біомолекул; молекули, які можна знайти в більшості живих речовин.

Розкладання листка відбувається в кілька фаз. Комахи і мікроорганізми починають поглинати його, а сонячне світло і вологість впливають на лист, викликаючи подальше руйнування. Згодом молекули розкладеного листя змиваються в річки, озера та океани.

Таємниця хімічної трансформації розгадана

Однак на цей час тисячі відомих біомолекул були перетворені на мільйони дуже різних на вигляд молекул зі складною та зазвичай невідомою структурою. Цей драматичний процес хімічної трансформації залишається загадкою, яка бентежить дослідників понад півстоліття, аж досі.

«Тепер ми можемо з’ясувати, як кілька тисяч молекул живої матерії можуть породити мільйони різних молекул, які швидко стають дуже стійкими до подальшої деградації», — каже Норберт Херткорн.

Команда виявила, що за цією таємницею стоїть певний тип реакції, відомий як окислювальна деароматизація. Хоча цю реакцію вже давно вивчають і широко застосовують у фармацевтичному синтезі, її природне виникнення залишалося невивченим.

У дослідженні дослідники показали, що окислювальна деароматизація змінює тривимірну структуру деяких компонентів біомолекул, які, своєю чергою, можуть активувати каскад наступних і диференційованих реакцій, що призводить до появи мільйонів різноманітних молекул.

Висновки та методи дослідження

Раніше вчені вважали, що шлях до розчиненої органічної речовини включав повільний процес із багатьма послідовними реакціями. Однак поточне дослідження показує, що трансформація відбувається відносно швидко.

Команда досліджувала розчинену органічну речовину з чотирьох приток річки Амазонки та двох озер у Швеції. Вони застосували метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР) для аналізу структури мільйонів різноманітних молекул. Примітно, що незалежно від клімату фундаментальна структура розчиненої органічної речовини залишалася незмінною.

«Ключ до висновків полягав у нетрадиційному використанні ЯМР у спосіб, що дозволяє досліджувати глибокі нутрощі великих розчинених органічних молекул, таким чином картографуючи та кількісно визначаючи хімічне оточення навколо атомів вуглецю», — пояснює Сію Лі, науковець Центру Гельмгольца та керівник автор дослідження.

У біомолекулах атоми вуглецю можуть бути з’єднані з чотирма іншими атомами, найчастіше з воднем або киснем. Однак, на подив команди, дуже велика частка органічних атомів вуглецю була пов’язана не з воднем, а натомість з іншими атомами вуглецю. Особливо інтригуючою була велика кількість атомів вуглецю, спеціально зв’язаних з трьома іншими атомами вуглецю та одним атомом кисню, структура, яка є дуже рідкісною в біомолекулах.

За словами Девіда Баствікена, професора зміни навколишнього середовища в Університеті Лінчепінга, це робить органічну речовину стабільною, дозволяючи їй зберігатися протягом тривалого часу та запобігаючи швидкому поверненню в атмосферу у вигляді вуглекислого газу або метану.

«Це відкриття допомагає пояснити значні поглинання органічного вуглецю на нашій планеті, які зменшують кількість вуглекислого газу в атмосфері», — говорить Девід Баствікен.