Орджел, Лесли Илизер

Первыми работами Лесли Орджела были исследования в области теоретической неорганической химии.

Его первая публикация^[6] (1951 год), посвящённая полуэмпирическому расчёту дипольного момента сопряжённых гетероциклических молекул, ныне рассматривается лишь с точки зрения исторического интереса. Однако следующая работа^[7], написанная в 1952 году в соавторстве с Джеком Дунитцем, в которой в терминах орбитального взаимодействия объясняется стабильность ферроцена, считается весьма примечательным достижением учёного. Интересно отметить, что Орджел фактически предсказал существование дибензолхрома и бис(циклобутадиенил)никеля, будучи уверенным, что его рассмотрения могут быть применены к этим гипотетическим молекулам. Однако по настоянию соавтора эти смелые соображения не были опубликованы. И только в 1956 году вышла статья^[8] Орджела, посвящённая возможности существования стабильных циклобутадиенильных комплексов переходных металлов. В 1959 году бис(циклобутадиенил)никель с предсказанной структурой был получен. Фактически дибензолхром был синтезирован в 1955 году Э. О. Фишером и В. Хафнером, при этом приоритет его предсказания в литературе Орджелу не приписывается, а отдаётся самому Фишеру^[9][10]

В 1957 году в своей статье «Ion compression and the colour of ruby»^[11] он объяснил, почему рубин красный. Нетривиальность задачи состояла в том, что рубин является корундом (Al₂O₃), в котором часть ионов Al³⁺ (менее 5 %) замещена на ионы Cr³⁺. При этом сам корунд бесцветен, оксид хрома Cr₂O₃, аналогичный по структуре, имеет зелёную окраску, характерную для иона Cr³⁺ в октаэдрическом окружении кислорода. Более того, сильно замещённый оксид алюминия (более 8 % Cr) также имеет зелёный цвет. И, тем не менее, рубины красные. Орджел отметил, что при небольших степенях замещения, параметр кристаллической решётки корунда почти не меняется, следовательно, ионы Cr³⁺ (которые сами по себе имеют радиус больший, чем у ионов алюминия) «сдавлены» кристаллической решёткой, то есть расстояния между ионами хрома и кислорода уменьшены. И далее он рассчитал, что такое уменьшение расстояний должно сдвинуть полосу поглощения ионов хрома с 16000 см⁻¹ (зелёный цвет) на 19100 см⁻¹ (красный цвет), что и наблюдается в действительности. В этом же году были опубликованы работы Орджела, объяснившие образование нормальных и обратных шпинелей с позиций теории кристаллического поля и понижение симметрии некоторых шпинелей за счёт эффекта Яна-Теллера^[12].^[13]

Орджел стал одним из разработчиков теории поля лигандов. 13 октября 1960 года был впервые опубликован его фундаментальный труд в этой области — книга «An Introduction to Transition-Metal Chemistry: Ligand-Field Theory»^[14].

Интерес Орджела к биохимии начал формироваться в середине 1950-х годов, когда он проходил постдокторантуру в Калифорнийском технологическом институте. Там он познакомился с Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, и стал одним из первых учёных, кому выпала возможность проверить на прочность двухцепочечную модель строения ДНК.

В 1963 году Орджел и Крик стали коллегами во вновь открытом Институте Солка^[15]. Их сотрудничество включало совместную работу над гипотезой направленной панспермии (1971—1973) и концепцией «эгоистичной ДНК» (1980)^[16][17].

В 1964 году Орджел окончательно перебрался в США и сосредоточил все усилия на изучении проблемы возникновения жизни на Земле. Его внимание особенно привлекали рибонуклеиновые кислоты, поскольку к тому времени уже было известно, что они являются и носителями, и передатчиками генетической информации. Серьёзным результатом его исследований в этой области стала статья 1968 года^[18], в которой была высказана гипотеза, что жизнь на ранней Земле могла быть представлена исключительно рибонуклеиновыми кислотами, которые и хранили генетическую информацию, и были способны к самостоятельной (без участия белков) репликации. Эта гипотеза была серьёзно проработана Орджелом, окончательно сформулирована в работе Уолтера Гильберта и ныне носит название «гипотезы РНК-мира».

Проверка данной гипотезы определила направление дальнейшей научной деятельности Орджела. Он поставил перед собой задачи проверить возможность абиогенного синтеза нуклеотидов, возможность самопроизвольного их соединения в полинуклеотиды и способность полинуклеотидов без участия белков инициировать синтез комплементарных пар.

Развивая работу Джоан Оро 1961 года, в которой была показана возможность синтеза аденина из аммиака и синильной кислоты в пребиотических условиях, Орджел предложил механизм, объясняющий, каким образом указанные реагенты могли совместно концентрироваться на ранней Земле, обеспечивая образование аденина в больших количествах. Также он предложил несколько возможных схем синтеза других нуклеиновых оснований и продемонстрировал возможность их самопроизвольного соединения с рибозой и рибозилфосфатами^[19].

Затем Орджел показал, что предварительно синтезированная РНК способна по темплатному механизму синтезировать свою комплементарную пару, будучи помещённой в раствор активированных мононуклеотидов. При этом выход желаемого продукта оказывался невысоким, и образовывалось большое количество изомерных продуктов.

В то время рибозимы ещё не были известны, но Орджел считал, что если в ходе таких процессов произойдёт образование РНК, способной катализировать собственную репликацию, то её количество может стать доминирующим. Этот принцип (по сути, абиогенный аналог дарвиновского естественного отбора) является основополагающим в гипотезе РНК-мира.

К 2026 году гипотеза РНК-мира получила статус подтверждённой ведущей теории происхождения жизни. Экспериментальные данные доказали способность РНК одновременно хранить генетическую информацию и катализировать химические реакции. Идеи Орджела получили мощное развитие в 2020—2026 годах: были найдены решения проблемы «слипания» нитей РНК, продемонстрирована саморепликация РНК в условиях, моделирующих раннюю Землю, а также выделены рибозимы-полимеразы, способные с высокой точностью копировать другие функциональные молекулы РНК и допускать полезные для эволюции вариации^[20].^[21]

В дальнейшей научной деятельности Орджела можно выделить два основных направления.

Первое было связано с поиском подтверждений универсальности естественного отбора и применимости этого принципа к химическим процессам. В этом направлении научная группа Орджела достигла определённых успехов. Группа проводила репликацию бактериофага Qβ в пробирке при помощи фермента Qβ-репликазы в присутствии бромистого этидия — соединения, подавляющего репликацию вируса за счёт нарушения структуры его РНК. В итоге через некоторое время «пробирочной эволюции» был получен штамм вируса, более устойчивый к бромистому этидию, чем исходный^[22].

Второе направление состояло в решении задач, поставленных предыдущими открытиями Орджела. Основными из них стали объяснение энантиоселективности при абиогенезе и причин, по которым в ходе молекулярной эволюции были отброшены аналоги нуклеотидов, которые также могли образовываться на протопланете^[23]. Исследования в данном направлении продолжаются в различных лабораториях по сей день.

В 1990-е и 2000-е годы Орджел активно изучал альтернативные генетические системы. В 1992 году им были детально описаны свойства синтетической системы матрично-направляемой олигомеризации мононуклеотидов^[24].

Исследования лаборатории Орджела (1997—2004) показали, что пептидно-нуклеиновые кислоты (ПНК) могут рассматриваться как вероятные предшественники РНК в контексте происхождения жизни. Было продемонстрировано, что эволюционный переход от «мира ПНК» к «миру РНК» принципиально возможен, поскольку генетическая информация способна передаваться от ПНК к РНК и обратно в ходе направленных матричных реакций. В 2004 году Орджел подвёл итоги изучения возможных нехиральных предшественников РНК и обосновал возможность существования «мира ПНК»^[25].

Лесли Орджел принимал активное участие в космических программах и комитетах НАСА. Он был главным исследователем программы исследований и обучения по экзобиологии (NSCORT) и входил в группу молекулярного анализа программы «Викинг» (Viking Mars Lander Program). В 1998 году Орджел возглавил целевую группу по возврату образцов с малых тел Солнечной системы, а с 1999 года являлся членом комитета НАСА по надзору за астробиологией. Кроме того, он входил в группу стратегического планирования Центра изучения жизни во Вселенной Института SETI, а также был членом комитета по планетной биологии и химической эволюции и рабочей группы по поиску внеземного разума^[26].^[14]