Комплексы РНК–железа катализируют добиогенное образование кислорода

Древний воздух из мира без кислорода

Задолго до того как растения начали насыщать атмосферу кислородом, поверхность Земли была по сути лишена пригодного для дыхания воздуха. Тем не менее жизнь должна была справляться с периодическими вспышками вредных соединений, таких как перекись водорода — близкий родственник бытового отбеливателя. В этом исследовании рассматривается неожиданная возможность: простые молекулы РНК в сочетании с растворённым железом могли тихо генерировать небольшие количества кислорода и помогать ранней жизни противостоять токсичной химии миллиарды лет до появления современных ферментов и фотосинтеза.

Молодая планета с скрытыми угрозами

Когда первые предки жизни появились более четырёх миллиардов лет назад, атмосфера Земли содержала почти никакого свободного кислорода. Моря же были богаты растворимым железом, а природные процессы — например, воздействие солнечного света на минералы или реакции горных пород с водой — могли порождать реактивные формы кислорода, включая перекись водорода. Эти молекулы — палка о двух концах: они могут приводить к полезным химическим превращениям, но также повреждать деликатные биологические структуры. Геологические и генетические подсказки указывают на то, что даже самые ранние организмы нуждались в способах справляться с такими эпизодами окислительного стресса задолго до появления сложных белковых ферментов и растительного фотосинтеза.

РНК и железо действуют вместе

Исследователи сосредоточились на РНК — универсальном генетическом и каталитическом полимере, которому приписывают ключевую роль в происхождении жизни. Они заметили, что специфический карман для связывания металла в современной рибосомной РНК напоминает способ, которым железо удерживается в геме — реактивном центре современных ферментов, разрушающих перекись. Эта структурная мимикрия породила вопрос: может ли РНК, связанная с железом вместо привычного магния, выступать в роли примитивного катализатора распада перекиси водорода на безвредную воду и молекулярный кислород? Чтобы проверить это, они испытали несколько коротких и длинных фрагментов РНК, а также РНК‑подобные молекулы с немного отличающейся химией скелета при бескислородных, богатых железом условиях, имитирующих окружение ранней Земли.

Испытание крошечных катализаторов

С помощью цветоизменяющей реакции типа «синяя бутылка», которая фиксирует появление кислорода, команда обнаружила, что большинство РНК‑конструкций в сочетании с двухвалентным железом ускоряли разложение перекиси водорода. Полноразмерная рибосомная РНК показала наиболее выраженный эффект, но также сработал значительно меньший трёхбуквенный фрагмент РНК (универсальный хвост CCA, встречающийся на конце транспортных РНК) и имитатор рибосомы. Двухбуквенная РНК, лишённая нужного расположения фосфатных групп, не проявила активности, что подчёркивает важность того, как скелет удерживает металл. Дальнейшие измерения указывали на то, что активные комплексы используют четыре соседних атома кислорода из РНК‑скелета, чтобы плотно охватить один ион железа, напоминая четыре атома азота, связывающие железо в геме. Кинетический анализ показал, что по крайней мере одна из этих систем РНК–железо ведёт себя подобно зачаточному ферменту: скорости реакции увеличиваются, а затем выравниваются по мере роста концентрации перекиси водорода.

Наблюдая за перемещением электронов

Чтобы заглянуть во внутреннюю механику реакции, авторы использовали электронный парамагнитный резонанс — метод, чувствительный к неспаренным электронам в металлических центрах. При смешивании CCA‑РНК, железа и перекиси водорода магнитная подпись железа со временем менялась, выявляя промежуточные высокоэнергетические состояния, схожие с теми, что наблюдаются в современных железосодержащих ферментах, расщепляющих перекись. Появлялись и затем исчезали сигналы, соответствующие мимолётному «феррилу» — железу в необычно окисленном состоянии, связанному с близлежащим радикалом. В течение более длительного времени железо переходило в более окисленную форму, но оставалось растворённым, что позволяет предположить, что РНК не только способствовала химии, но и удерживала иначе нерастворимое железо в растворе.

Переписывая истории раннего кислорода

Авторы предлагают, что такие комплексы РНК–железо могли выступать в роли ранних молекулярных стражей, детоксицируя перекись водорода и, как побочный эффект, выпуская небольшие порции молекулярного кислорода в условиях, лишённых кислорода. Они не утверждают, что этот механизм одинокий ответствен за окисление планеты; основную работу позже выполнили фотосинтезирующие организмы. Вместо этого исследователи предполагают, что способность РНК как генерировать, так и выдерживать окислительные условия могла дать ей преимущество в выживании, способствуя формированию химии жизни до того, как белки взяли на себя большую часть каталитических функций. В этом свете следы кислорода на молодой Земле могли быть, по крайней мере частично, тихой работой примитивной РНК, связанной с железом.

Цитирование: Wang, YC., Tu, JH., Yu, LC. et al. RNA−Iron complexes catalyse prebiotic oxygen generation. Commun Chem 9, 124 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01935-6

Ключевые слова: происхождение жизни, химия ранней Земли, катализ РНК, реактивные формы кислорода, добиогенный кислород