Oprydning i rod:Hvordan protobiologi opstod fra det præbiotiske rod

Ligesom de mytiske skabelseshistorier, der skildrer verdens dannelse som historien om orden fra kaos, den tidlige Jord var hjemsted for et kaotisk virvar af organiske molekyler, hvorfra på en eller anden måde, mere komplekse biologiske strukturer som RNA og DNA opstod.

Der var ingen vejledende hånd til at diktere, hvordan molekylerne i det præbiotiske rod skulle interagere for at danne liv. Endnu, havde disse molekyler bare interageret tilfældigt dengang, sandsynligvis, at de aldrig ville have fundet de rigtige interaktioner for i sidste ende at føre til livet.

"Spørgsmålet er, ud af alle de tilfældige muligheder, er der nogen regler, der styrer disse interaktioner?" spørger Ramanarayanan Krishnamurthy, en organisk kemiker ved Scripps Research Institute i Californien.

Disse regler ville være selektive, fører uundgåeligt til de rigtige interaktioner til at samle livets byggesten. For at låse op for disse reglers hemmeligheder, og hvordan det præbiotiske rod overgik til den biologisk ordnede livsverden, Krishnamurthy bruger en disciplin kaldet "systemkemi, " og publicerede en artikel om emnet i tidsskriftet Beretninger om kemisk forskning der udforsker denne relativt nye måde at forstå, hvordan liv kom fra ikke-liv.

Nobelprisvinderen og genetiker Jack Szostak fra Harvard Medical School beskriver systemkemi som:"en af ​​nyhedsmåderne at tænke på problemerne med præbiotisk kemi." For at forstå, hvordan systemkemi fungerer, tænk på en kolbe fuld af kemikalie A, hvortil et andet kemikalie, B, tilsættes og som reagerer med A for at producere yderligere to kemikalier, C og D. Da ingen proces er 100 procent effektiv, kolben indeholder nu kemikalier A, B, C og D. "Så nu har du et system, " forklarer Krishnamurthy. Systemkemi betragter systemet som en helhed og udforsker reglerne i det system, der styrer, hvordan hvert kemikalie interagerer med de andre, og under forskellige forhold.

Endnu, systemkemi handler om mere end blot at beskæftige sig med systemer, der indeholder mange kemikalier, siger Szostak. "Det er et spørgsmål om at tænke over, hvilke kemikalier eller forhold der sandsynligvis er tilgængelige og sandsynligvis vil være nyttige." Han nævner eksemplet med fosfat, som automatisk er til stede i biokemiske systemer på grund af dets eksistens i biologiens nukleotidbyggesten, og er derfor klar til at spille flere roller i livets historie, som at fungere som en katalysator og beskytte celler mod pH-ændringer.

Selvfølgelig, at optrevle kemien i det præbiotiske rod er langt fra at forklare vekselvirkningerne mellem fire kemikalier i en kolbe. Den computer- og analytiske kraft, der kræves for at simulere et så komplekst system, var uden for rækkevidde for blot et årti eller to siden. I stedet, størstedelen af ​​forskningen i livets oprindelse havde tidligere fokuseret på individuelle klasser af biomolekyler, det mest lovende er RNA (ribonukleinsyre).

Et scenario med kylling og æg

RNA-verdensteorien, som er ideen om, at RNA eksisterede før celler gjorde, står over for et paradoks. RNA laver proteiner, men proteiner udgør også RNA. "Biologer tog moderne biologi og for sparsomhedens skyld kørte den baglæns, men så løb de ind i problemet med, hvad der kom først, proteiner eller RNA?" siger Krishnamurthy

Da University of Colorados Thomas Cech opdagede i 1981, at RNA kan katalysere reaktioner i sig selv, problemet så ud til at være løst. Natten over, RNAs betydning for livet blev transformeret. Ved at være katalytisk, RNA kunne kickstarte anden biokemi inklusive dannelsen af ​​proteiner og måtte derfor komme først. Den efterfølgende opdagelse af, at det er RNA-molekylet i et ribosom, der er ansvarligt for proteinsyntesen, gav yderligere tiltro til "RNA-verden"-hypotesen.

RNA-verdenen har, imidlertid, har været udsat for meget kritik på det seneste, som Krishnamurthy mener er fortjent. RNA er i stand til at overføre genetisk information i organismer og er lavet af kæder af ribonukleotider. Men der er en hage.

"Nukleotider dukker ikke kun op fra kemiske blandinger, de skal laves på en meget defineret måde, " siger han. "Der skal være en vis rækkefølge i reaktionssekvensen. Det er ikke som Stanley Millers gnistudladningseksperiment, hvor han satte alle disse gasser sammen, trykkede på en kontakt og 'Voila!'"

Systemkemi skildrer udviklingen af ​​RNA som en kæde af begivenheder drevet af selektive interaktioner og katalyse. Ribonukleotider dannes ud fra ribonukleosider knyttet til fosfat. Et nukleosid består af en nukleobase, som er en nitrogenholdig forbindelse, bundet til et monosaccharid, som er et sukker, der indeholder fem kulstofatomer, kaldet pentoser. Blandt populationen af ​​monosaccharider er fire pentoser, blandt dem ribose, som på en eller anden måde selektivt omdannes til ribonukleosid i stedet for de tre andre pentoser.

Selvom Szostak er enig i, at systemkemi har magten til at understøtte RNA-verdensteorien, eller i det mindste forklare oprindelsen af ​​RNA, han påpeger, at der er lagt et uforholdsmæssigt stort arbejde i at forstå, hvordan nukleotider dannes, og ikke nok med hvad der sker derefter. "Der mangler stadig trin til at forstå, hvordan RNA kan laves, " siger han. Så udfordringen nu for systemkemi er at vise, hvordan og hvorfor hvert af disse stadier opstår.

"Bare syntetisering af en monomer af RNA som et nukleosid eller et nukleotid er ikke nok til at sige, at du har fundet oprindelsen til RNA, " siger Krishnamurthy. "Hvordan sætter man disse monomerer sammen på en meningsfuld måde, der er selvbærende?"

Selektionseffekten kan finde sted på et væld af niveauer i skabelsen af ​​RNA. Måske er udvælgelsesreglerne det, der bestemmer, hvorfor ribose, snarere end de tre andre pentoser - xylose, lyxose eller arabinose - omdannes til de nukleosider, der bruges af RNA. Måske kommer selektionseffekten, når man forklarer, hvorfor fosfat foretrækker at binde sig til ribonukleosider, snarere end andre nukleosider. Eller, muligvis er det selve ribonukleotiderne, der er udvalgt ved at være mere effektive end andre nukleotider til at danne kæder. Vi ved ikke, hvad svaret er endnu, men Krishnamurthy mener, at systemkemi er det bedste værktøj til at finde ud af.

Udvælgelseseffekter

Vi finder udvælgelsesregler, der driver interaktioner i kemi som et resultat af miljøforhold; eller nye egenskaber såsom katalytisk aktivitet, selvsamling og selvreplikering; eller endda som et resultat af de særlige forhold ved kemiske reaktioner.

Cyanid, for eksempel, tager form af ikke-giftige nitriler i biokemi, forbinder med kulstofbaserede molekyler for at danne mere komplekse organiske molekyler. Det er også en ret praktisk reaktant. Tilføj cyanid til to specifikke organiske forbindelser, der indeholder keton og carboxylsyre, kaldet ketosyrer og ketoalkoholer, og det producerer cyanohydriner, der er vigtige forløbere for nogle aminosyrer. Imidlertid, i vand kan cyanohydriner undergå hydrolyse og nedbrydes, men om de gør det eller ej afhænger af vandets pH. I et blad udgivet i Kemi:Et europæisk tidsskrift , Krishnamurthy, Scripps kollega Jayasudhan Yerabolu, og Georgia Institute of Technology kemiker Charles Liotta fandt, at hydrolyse finder sted ved en pH på mindre end 7 for cyanohydriner dannet af ketosyrer, og en pH større end 7 for cyanohydriner dannet ud fra ketoalkoholer. Derfor, den langsigtede overlevelse af cyanohydriner er selektiv afhængig af surhedsgraden eller alkaliniteten af ​​det omgivende miljø.

Et andet eksempel, der omfatter cyanid-reaktivitet, involverer molekyler af oxaloacetat og alfa-ketoglutarat, som spiller en rolle i citronsyrecyklussen (en række energifrigivende kemiske reaktioner, der udnyttes af iltåndende liv). I nærvær af cyanid, oxaloacetat omdannes selektivt i stedet for alfa-ketoglutarat, at danne et hydroxyravsyrederivat.

"I en blanding, hvor du kan finde både oxaloacetat og alfa-ketoglutarat, ved at tilføje cyanid kan du selektivt transformere den ene, men ikke den anden, " siger Krishnamurthy.

Disse eksempler demonstrerer, hvad Krishnamurthy beskriver som overgangen fra heterogen heterogenitet (divers vekselvirkninger i et system af mange molekyler) til homogen heterogenitet (ved at vælge fra forskellige interaktioner mellem relativt få molekyler, der danner rygraden i livets systemer, såsom RNA). Med andre ord, det er opståen fra det præbiotiske rod i en velordnet proto-biokemi.

"Løsningen ser ud til at være at gå fra den heterogene blanding til det, jeg kalder den homogene heterogenitet, " siger Krishnamurthy. "Dette er, hvad vores laboratorium forsøger at demonstrere som et principbevis."

Der er lang vej endnu, og Krishnamurthy anbefaler, at der bedst gøres fremskridt med små skridt, efterhånden som videnskabsmænd udvikler denne bottom-up tilgang til livets oprindelse fra det heterogene præbiotiske rod. Ved at opdage reaktioner og katalyse, der vælger de rigtige interaktioner mellem organiske forbindelser, Målet er at opbygge vores forståelse af, hvordan de grundlæggende byggeklodser er samlet – hvordan, for eksempel, RNA dukkede op fra kaosset.

I sidste ende er ønsket at bygge en eksperimentel simulering, der inkluderer hele den heterogene heterogenitet af det præbiotiske rod i en kopi af Jordens tidlige miljø, og derefter at køre den simulering igen og igen for at se, hvilke selektive interaktioner der er mest almindelige, og om de kan gentage livets oprindelse.

"Jeg er optimistisk om, at vi vil være i stand til at udarbejde rimelige veje til at lave alle byggestenene i biologi, og til at samle disse komponenter til enkle, primitive celler, " siger Szostak. "Men der er meget, der skal læres, før vi kan nå dette ambitiøse mål."

Ligesom kolben, der endte med at indeholde kemikalier A, B, C og D, slutprodukterne af disse selektive reaktioner kan begynde at interagere med deres kildekemikalier, noget der ikke sker i det rene, isoleret RNA-verden, der studeres i laboratoriet. Hvilke nye og tidligere oversete løsninger venter på at blive opdaget, og hvor hurtigt vil babytrinene få os til dem?

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.