Var ursuppen en solid pre-protein gryderet?

Ursuppen, der slank omkring for milliarder af år siden, og førte til sidst til det første liv på vores planet, kunne have vrimlet med primære forstadier til proteiner.

Forfædre til de første proteinmolekyler, som er nøglekomponenter i alle celler, kunne have været rigelig på jorden før livet, ifølge en ny undersøgelse ledet af forskere ved Georgia Institute of Technology, der dannede hundredvis af mulige forstadiemolekyler i laboratoriet. Derefter analyserede de omhyggeligt molekylerne med nyeste teknologi og nye algoritmer.

De fandt ud af, at molekylerne, kaldet depsipeptider, dannet hurtigt og rigeligt under forhold, der ville have været almindelige på prebiotisk jord, og med ingredienser, der sandsynligvis ville have været rigelige.

Og nogle af depsipeptiderne udviklede sig til nye sorter på bare et par dage, en evne, der mange år siden, kunne have fremskyndet fødslen af ​​lange molekyler, kaldet peptider, der danner proteiner.

Uden katastrofe, Vær venlig

Den nye NASA-tilknyttede forskning tilføjer et voksende bevismateriale, der tyder på, at de første polymerer af liv kan være opstået i variationer af daglige processer, der stadig observeres på Jorden i dag, såsom gentagen tørring og genopfyldning af damvand. De har muligvis ikke alle zappet i eksistens som et resultat af flammende katastrofer, et billede, der ofte er forbundet med oprettelsen af ​​de første kemikalier i livet.

"Vi vil holde os væk fra scenarier, der ikke umiddelbart er mulige, "sagde Facundo Fernández, en professor i Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry, og en af ​​undersøgelsens hovedforskere. "Undlad at afvige fra forhold, der ville have været realistiske og rimelig almindelige på præbiotisk jord. Påkald ikke nogen urimelig kemi."

Forskere har længe undret sig over, hvordan de allerførste proteiner dannedes. Deres langkædede molekyler, polypeptider, kan være svært at lave i laboratoriet under abiotiske forhold.

Nogle forskere har slidt for at bygge små kæder, eller peptider, nogle gange under mere ekstreme scenarier, der sandsynligvis forekom sjældnere på den tidlige jord. Udbyttet har været beskedent, og de resulterende peptider har kun haft et par komponentdele, der henviser til, at naturlige proteiner har en lang række af dem.

Trin-for-trin udvikling

Men komplekse livsmolekyler opstod sandsynligvis ikke i et dramatisk trin, der producerede slutprodukter. Det er den hypotese, der driver forskningen fra Fernández og hans kolleger ved NSF/NASA Center for Chemical Evolution, med hovedsæde i Georgia Tech og baseret på tæt samarbejde med Scripps Research Institute.

I stedet, flere lettere kemiske trin producerede rigelige produkter imellem, der var nyttige i efterfølgende reaktioner, der til sidst førte til de første biopolymerer. De depsipeptider, der blev produceret i denne seneste undersøgelse, kunne have tjent som sådan en kemisk trædesten.

De ligner meget almindelige peptider og kan findes i dag i biologiske systemer. "Mange antibiotika, for eksempel, er depsipeptider, "Sagde Fernández.

Fernández, hans Georgia Tech -kolleger Martha Grover og Nicholas Hud, og Ram Krishnamurthy fra Scripps offentliggjorde deres undersøgelse den 28. august, 2017, i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences . Første forfatter Jay Forsythe, tidligere postdoktor ved Georgia Tech, er nu adjunkt ved College of Charleston. Forskning blev finansieret af National Science Foundation og NASA Astrobiology Program.

Den nye undersøgelse slutter sig til lignende arbejde om dannelsen af ​​RNA -forstadier på prebiotisk jord, og om mulige scenarier for dannelsen af ​​de første gener. De kollektive indsigter kan en dag hjælpe med at forklare, hvordan første liv opstod på Jorden og også hjælpe astrobiologer med at bestemme sandsynligheden for liv, der eksisterer på andre planeter.

Forståelse af depsipeptid Lego

For at forstå depsipeptider og betydningen af ​​forskernes resultater, det er nyttigt at starte med at se på peptider, som er kæder af aminosyrer. Når kæderne bliver virkelig lange kaldes de polypeptider, og derefter proteiner.

Levende celler har maskiner, der læser instruktioner i DNA om, hvordan man forbinder aminosyrer i en bestemt rækkefølge for at bygge meget specifikke peptider og proteiner, der har funktioner i en levende celle. For at et protein skal fungere i en celle, dens polypeptidkæder skal klumpe sig sammen som klæbrige garn for at danne nyttige former.

Inden celler og DNA eksisterede på en jord uden liv, for at danne polypeptider, aminosyrer måtte på en eller anden måde skubbe sammen i vandpytter eller på floder eller søer for at danne kæder. Men peptidbindinger kan være svære at danne, især lange kæder af dem.

Amino stand-in double

Andre obligationer, kaldet esterbindinger, form lettere, og de kan forbinde aminosyrer med meget lignende molekyler kaldet hydroxysyrer. Hydroxysyrer ligner så meget aminosyrer, at de kan, i nogle tilfælde, fungere som deres stand-in doubler.

Forskerne blandede tre aminosyrer med tre hydroxysyrer i en vandopløsning, og de dannede depsipeptider, kæder af aminosyrer og hydroxysyrer holdt sammen af ​​intermitterende ester- og peptidbindinger. Hydroxysyrerne fungerede som en mulighed for at sammensætte de kæder, der ellers ville have været vanskelige at danne.

Ursuppen kan have lagt sine depsipeptider på klipper, hvor de tørrede ud i solen, derefter opløste regn eller dug dem tilbage i suppen, og det skete igen og igen. Forskerne efterlignede denne cyklus i laboratoriet og så på, hvordan depsipeptidkæderne udviklede sig yderligere.

Death Valley varme

"Vi kalder det en miljømæssig cyklingstilgang til fremstilling af disse tidlige peptider, "sagde Fernández, hvem er Vasser Woolley Foundation -formand i bioanalytisk kemi. Ligesom naturen:Lav suppen, tør det ud, gentage.

I laboratoriet, tørretemperaturen var 85 grader Celsius (185 grader Fahrenheit), selvom reaktionen har vist sig at virke ved temperaturer på 55 og 65 grader Celsius (131 til 149 grader Fahrenheit). "Hvis du tænker på den tidlige jord, der har meget vulkansk aktivitet og en atmosfærisk blanding, der fremmer opvarmning, disse temperaturer er realistiske på mange dele af en tidlig jord, "Sagde Fernández.

Tidlig jord tog hundredvis af millioner af år at afkøle, og temperaturer i hundredvis af grader antages at have været almindelige i lang tid. Selv i dag, de hotteste ørkener kan nå over 55 grader celsius.

Ester do-si-do

Da esterbindinger lettere brydes, i forsøget, kæderne havde en tendens til at skille mere ad ved hydroxysyrerne og holde sammen mellem aminosyrerne, som var forbundet med de stærkere peptidbindinger. Som resultat, kæder kunne omforme og forbinde flere og flere aminosyrer med hinanden til stærkere peptider.

I en slags square-dance, stand-in-hydroxysyrerne forlod ofte deres aminosyrepartnere i kæden, og nye aminosyrer låst fast på kæden i deres sted, hvor de holdt fast. Faktisk, et antal af depsipeptiderne endte med at blive sammensat næsten fuldstændigt af aminosyrer og havde kun rester af hydroxysyrer.

"Nu ved vi, hvordan peptider let kan dannes, "Sagde Fernández." Dernæst, vi vil finde ud af, hvad der er nødvendigt for at nå et niveau af et funktionelt protein. "

10, 000, 000, 000, 000 depsipeptider

For at identificere de mere end 650 depsipeptider, der blev dannet, forskerne brugte massespektrometri kombineret med ionmobilitet, som kunne beskrives som en vindtunnel for molekyler. Sammen med masse, den ekstra mobilitetsmåling gav forskerne data om depsipeptidernes form.

Algoritmer skabt af Georgia Tech -forskeren Anton Petrov behandlede dataene for endelig at identificere molekylerne.

For at illustrere, hvor potentielt rigelige depsipeptider kunne have været på prebiotisk jord:Forskerne måtte begrænse antallet af aminosyrer og hydroxysyrer til tre hver. Havde de taget 10 hver i stedet, antallet af teoretiske depsipeptider kunne have steget over 10, 000, 000, 000, 000.

"Lethed og dus er nøglen, "Fernández sagde." Kemisk udvikling er mere tilbøjelig til at skride frem, når komponenter, den har brug for, er rigelige og kan gå sammen under mere almindelige forhold. "