I begyndelsen, der var sukker

Organiske molekyler dannede grundlaget for livets udvikling. Men hvordan kunne uorganiske prækursorer have givet anledning til dem? LMU-kemiker Oliver Trapp rapporterer nu om en reaktionsvej, hvor mineraler katalyserer dannelsen af ​​sukkerarter i fravær af vand.

For mere end 4 milliarder år siden, Jorden var meget langt fra at være den Blå Planet, den senere ville blive. På det tidspunkt var det lige begyndt at køle af, og i løbet af denne proces, de koncentriske strukturelle zoner, der ligger stadig dybere under vores fødder, blev dannet. Den tidlige Jord var domineret af vulkanisme, og atmosfæren bestod af kuldioxid, nitrogen, metan, ammoniak, svovlbrinte og vanddamp. I dette decideret ugæstfri miljø blev livets byggesten dannet. Hvordan kunne dette så være opstået?

Forskere har undret sig over spørgsmålet i årtier. Det første gennembrud blev lavet i 1953 af to kemikere, ved navn Stanley Miller og Harold C. Urey, ved University of Chicago. I deres eksperimenter, de simulerede atmosfæren på den oprindelige Jord i et lukket reaktionssystem, der indeholdt de ovennævnte gasser. Et miniature "hav" blev opvarmet for at give vanddamp, og elektriske udladninger blev ført gennem systemet for at efterligne virkningerne af lyn. Da de analyserede kemikalierne produceret under disse forhold, Miller og Urey opdagede aminosyrer - de grundlæggende bestanddele af proteiner - såvel som en række andre organiske syrer.

Det er nu kendt, at betingelserne i disse eksperimenter ikke afspejlede dem, der herskede på den tidlige Jord. Alligevel, Miller-Urey-eksperimentet indledte området for præbiotisk kemisk evolution. Imidlertid, det kaster ikke meget lys over, hvordan andre klasser af molekyler findes i alle biologiske celler - såsom sukkerarter, fedtstoffer og nukleinsyrer - kan være blevet genereret. Disse forbindelser er imidlertid uundværlige ingredienser i den proces, der førte til de første bakterier og efterfølgende til fotosyntetiske cyanobakterier, der producerede ilt. Det er derfor Oliver Trapp, Professor i organisk kemi ved LMU, besluttede at fokusere sin forskning på den præbiotiske syntese af disse stoffer.

Fra formaldehyd til sukker

Historien om syntetiske ruter fra mindre forstadier til sukkerarter går næsten et århundrede tilbage før Miller-Urey-eksperimentet. I 1861, den russiske kemiker Alexander Butlerov viste, at formaldehyd kunne give anledning til forskellige sukkerarter via det, der blev kendt som formosereaktionen. Miller und Urey fandt faktisk myresyre i deres eksperimenter, og det kan let reduceres for at give formaldehyd. Butlerov opdagede også, at formosereaktionen fremmes af en række metaloxider og -hydroxider, herunder calcium, barium, thallium og bly. Især calcium er rigeligt tilgængeligt på og under jordens overflade.

Imidlertid, hypotesen om, at sukker kunne være blevet produceret via formose-reaktionen, løber ind i to vanskeligheder. Den "klassiske" formose-reaktion producerer en forskelligartet blanding af forbindelser, og det foregår kun i vandige medier. Disse krav er i modstrid med det faktum, at sukker er blevet påvist i meteoritter.

Sammen med kolleger ved LMU og Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Trapp besluttede derfor at undersøge, om formaldehyd kunne give anledning til sukker i et fastfasesystem. Med henblik på at simulere den slags mekaniske kræfter, som faste mineraler ville have været udsat for, alle reaktionskomponenterne blev kombineret i en kuglemølle - i fravær af opløsningsmidler, men tilsætning af nok formaldehyd til at mætte de pulveriserede faste stoffer

Og sandelig, Formose-reaktionen blev observeret, og flere forskellige mineraler blev fundet til at katalysere den. Formaldehydet blev adsorberet på de faste partikler, og interaktionen resulterede i dannelsen af ​​formaldehyddimeren (glykolaldehyd) – og ribose, sukkeret med 5 kulstof, der er en essentiel bestanddel af ribonukleinsyre (RNA). RNA menes at være smeltet sammen før DNA, og det tjener som opbevaring af genetisk information i mange vira, samt at levere skabelonerne til proteinsyntese i alle cellulære organismer. Mere komplekse sukkerarter blev også opnået i eksperimenterne, sammen med et par biprodukter, såsom mælkesyre og methanol.

"Vores resultater giver en plausibel forklaring på dannelsen af ​​sukkerarter i den faste fase, selv under udenjordiske omgivelser i fravær af vand, " siger Trapp. De stiller også nye spørgsmål, der kan pege på nye og uventede præbiotiske ruter til de grundlæggende komponenter i livet, som vi kender det, som Trapp bekræfter. "Vi er overbeviste om, at disse nye indsigter vil åbne op for helt nye perspektiver for forskning i præbiotika, kemisk udvikling, " han siger.