Kan polaritetsomvendte membraner samle sig selv på Saturns måne Titan?

Astrobiologer er fokuseret på at løse to centrale spørgsmål for at forstå livets miljømæssige og kemiske grænser. Ved at forstå livets grænser, de har til hensigt at identificere mulige biosignaturer i exoplanetatmosfærer og i solsystemet. For eksempel, lipid-dobbeltlagsmembranen er en central forudsætning for liv, som vi kender på Jorden. Forudgående undersøgelser baseret på simuleringer af molekylær dynamik har antydet, at polaritetsomvendte membraner kendt som azotosomer lavet af små nitrogenholdige molekyler kan være kinetisk rigelige på kryogene flydende verdener såsom Saturns måne Titan.

I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , H. Sandström og M. Rahm ved afdelingen for Kemi og Kemiteknik ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, dannede et næste potentielt skridt til at undersøge den termodynamiske levedygtighed af azotosomdannelse. Ved hjælp af kvantemekaniske beregninger, de forudsagde, at azotosomer ikke er i stand til at samle sig selv i flydende vand i modsætning til lipid-dobbeltlag. De foreslår, at på grund af strenge vandfri og lave temperaturforhold, cellemembraner kan være unødvendige for hypotetisk astrobiologi på Titan. Disse bestræbelser på forudsigelig beregningsastrobiologi vil være af betydning for Dragonfly-missionens planlagte landgang på Titan i 2034.

Saturns måne Titan har rig atmosfærisk kemi og en dynamisk overflademorfologi drevet af sæsonbestemt nedbør, overvejende af metan- og ethancyklusser. Forskere har observeret kulbrintesøer og -have nær Titans polarområder for at drage sammenligninger med Jordens hydrologiske cyklus i forhold til livets oprindelse. Titans overfladeforhold er, imidlertid, en kold 90 til 94 K og i modsætning til Jorden, Titans yderste overflade er fri for ilt og dækket af produkter fra dets atmosfæriske fotokemi. Forskere har også mistanke om tilstedeværelsen af ​​en frossen vandisskorpe under det yderste organiske lag. Som den strengeste test for livets grænser, Titan tilbyder et unikt miljø til at udforske naturens kemiske kompleksitet og dens udvikling uden flydende vand ved lave temperaturer på tidsskalaer, der nærmer sig solsystemets alder.

Manglen på termisk energi (kT =0,75 kJ/mol ved 90 K) er en flaskehals for kemisk reaktivitet på Titan, imidlertid, sollys er en energikilde (0,4 W/m ² ) tilgængelig for at kemi kan forekomme. I dette arbejde, Sandström og Rahm adresserede sandsynligheden for dannelse af abiotisk cellemembran, en af ​​forudsætningerne for livets oprindelse på verdener som Titan. Forskere havde også diskuteret ideen om kompartmentalisering som central for livet for at foreslå den fascinerende mulighed for azotosomer på Titan.

Azotosomer er membraner lavet af små molekyler med en nitrogenhovedgruppe og kulbrintehalegruppe. De hydrofobe grupper (vandhadende grupper) forbliver på ydersiden af ​​azotosommembraner (omvendt polaritet) sammenlignet med normale lipidmembraner i vand - hvor hydrofobe grupper typisk forbliver på indersiden. Brug af molekylær dynamik opløsning i kryogen metan, forskerhold forudsagde, at hvis strukturerne var lavet af acrylonitril (C ₂ H ₃ CN) ville de have lignende elasticitet som et normalt lipid-dobbeltlag i vandig opløsning. Muligheden for azotosomer antændte yderligere diskussioner om livets grænser. To år efter den oprindelige forudsigelse, forskere opdagede på imponerende vis acrylonitril på Titan ved hjælp af Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Da abiotiske og biologiske normale membraner og miceller dannes via spontane selvsamlingsprocesser drevet af gunstig termodynamik. Forskerne undersøgte, om den foreslåede azotosommembran også forblev levedygtig på samme måde som termodynamiske grunde. For det, Sandström et al. præsenterede estimater for den kinetiske persistens af azotosomer ved hjælp af kvantekemiske beregninger og adresserede derefter deres associationer for hypotetisk exobiologi under strenge termodynamiske forhold på Titan.

I "lipidverdenen" eller "celler-først"-hypotesen, abiotisk dannelse af membraner bidrog til livets fremkomst; hvor lipider i vand spontant samles selv for at danne supramolekylære strukturer såsom membraner og miceller, over en kritisk koncentration. Under selvsamling af azotosomer på Titan, de forudsete strukturer skal være kinetisk vedvarende og termodynamisk lavere i energi end den tilsvarende molekylære krystal (molekylær is). Forskerholdet brugte krystallinsk molekylær is som en konkurrent til selvsamling af acrylonitril.

Sandström et al. anvendt kvantemekanik i form af dispersion corrected density functional theory (DFT) til at beregne energien af ​​de fire faser af acrylonitrilis svarende til eksperimentelle diffraktionsdata. DFT-beregningerne bekræftede fraværet af imaginære fonontilstande, at sikre dynamisk stabilitet af strukturen, hvilket de desuden bekræftede ved hjælp af DFT-baserede kvantemolekylære dynamiksimuleringer i flydende metan ved 90 K. Beregningerne tog højde for termiske og entropiske hændelser på Titan overflade-relevante forhold, mens man overvejede spredningsinteraktionen med det omgivende metanmiljø.

Problemet med termodynamik for livets oprindelse er ikke unikt for Titan; Gibbs energikrav til makromolekylær dannelse er reduceret på overflader, hvor overfladeliv udgør et muligt første skridt i livets udvikling på Jorden. Forskerne begrænsede deres beregninger til kun at vurdere acrylonitril-baseret azotosom og deres selvsamling under relevante forhold på Titan, og viste deres tilstrækkelige kinetiske stabilitet til langvarig persistens ved 90 K. Hypotetiske membranstrukturer lavet af større molekyler var betydeligt mindre kinetisk stabile.

The results did not conclusively outline a possible route of self-assembly for cryogenic operable membranes, Sandström et al. did not rule out the existence and relevance of other polarity-inverted membranes built from far more strongly interacting constituents within warmer hydrocarbon environments. In the absence of azotosomes or other cell membranes, it is unlikely for life-governing processes to occur under cryogenic conditions, although life on cold hydrocarbon worlds such as Titan would not necessarily require cell membranes either. The scientists further indicate that any hypothetical life-bearing macromolecule or crucial machinery of a life form on Titan will only exist in the solid state and never risk destruction by dissolution.

The question remains if these biomolecules would benefit from a cell membrane. Due to low temperature conditions on Titan, biological macromolecules may rely on the diffusion of small energetic molecules such as hydrogen, acetylene or hydrogen cyanide for growth and replication. A membrane could hinder such benefits of diffusion. Tilsvarende a membrane can hinder the removal of waste products of metabolism including methane and nitrogen. Omvendt it is also possible for a hypothetical cell membrane to protect against harmful chemicals on Titan. Imidlertid, the narrower energetic range calculated for thermally driven reaction pathways on Titan indicate that only fewer options may damage macromolecules on Titan compared to Earth.

På denne måde azotosomes proposed to allow cryogenically operable membranes in liquid methane, pose an intriguing challenge to the principal understanding of biology. The molecule has highlighted the importance of following up properties of predicted molecules in computational astrobiology, to identify their plausible formation routes whenever possible. It is still exceedingly difficult to arrive at specific predictions of chemistry to support biological processes that occur under stringent, thermodynamic environmental constraints on worlds such as Titan. As the molecule of interest grows in complexity, the challenge to reliably model their properties and routes of formation (kinetics and thermodynamics) can become exceedingly difficult.

H. Sandström and M. Rahm calculated that azotosome membranes may be kinetically persistent, although the structure may not be thermodynamically feasible—preventing their self-assembly (unlike lipid bilayers in liquid water). They argue that cell membranes are unlikely to form on Titan's anhydrous and low-temperature environments. While it is possible to experimentally test computational predictions on the existence or nonexistence of azotosome membranes, speculations on the factual environmental limits of prebiotic chemistry and biology remain speculations. The research team suggest careful computational exploration of proposed prebiotic and biological structures and processes, and their plausibility to guide future in situ sampling of the surface chemistry of Titan.

© 2020 Science X Network