Forskere finder potentielt manglende led i kemi, der førte til liv på Jorden

Kemikere ved The Scripps Research Institute (TSRI) har fundet en forbindelse, der kan have været en afgørende faktor i livets oprindelse på Jorden.

Forskere fra livets oprindelse har antaget, at en kemisk reaktion kaldet phosphorylering kan have været afgørende for samlingen af ​​tre nøgleingredienser i tidlige livsformer:korte nukleotider til at lagre genetisk information, korte kæder af aminosyrer (peptider) til at udføre cellernes hovedarbejde, og lipider til at danne indkapslende strukturer såsom cellevægge. Endnu, ingen har nogensinde fundet et phosphoryleringsmiddel, der var sandsynligt til stede på den tidlige Jord og kunne have produceret disse tre klasser af molekyler side om side under de samme realistiske forhold.

TSRI-kemikere har nu identificeret netop sådan en forbindelse:diamidophosphat (DAP).

"Vi foreslår en fosforyleringskemi, der kunne have givet anledning, alle på samme sted, til oligonukleotider, oligopeptider, og de cellelignende strukturer til at omslutte dem, " sagde seniorforfatter Ramanarayanan Krishnamurthy, lektor i kemi ved TSRI. "Det ville igen have tilladt andre kemier, som ikke var mulige før, potentielt fører til den første simple, cellebaserede levende væsener."

Studiet, rapporteret i dag i Naturkemi , er en del af en igangværende indsats fra videnskabsmænd over hele verden for at finde plausible ruter for den episke rejse fra præ-biologisk kemi til cellebaseret biokemi.

Andre forskere har beskrevet kemiske reaktioner, der kunne have muliggjort phosphorylering af præ-biologiske molekyler på den tidlige Jord. Men disse scenarier har involveret forskellige phosphoryleringsmidler for forskellige typer molekyler, samt forskellige og ofte ualmindelige reaktionsmiljøer.

"Det har været svært at forestille sig, hvordan disse meget forskellige processer kunne have kombineret sig på samme sted for at give de første primitive livsformer, " sagde Krishnamurthy.

Han og hans hold, herunder co-first forfattere Clémentine Gibard, Subhendu Bhowmik, og Mega Karki, alle postdoktorale forskningsmedarbejdere ved TSRI, viste først, at DAP kunne fosforylere hver af de fire nukleosidbyggeblokke af RNA i vand eller en pastalignende tilstand under en lang række temperaturer og andre forhold.

Med tilsætning af katalysatoren imidazol, en simpel organisk forbindelse, der i sig selv var sandsynligt til stede på den tidlige Jord, DAP's aktivitet førte også til fremkomsten af ​​korte, RNA-lignende kæder af disse phosphorylerede byggesten.

I øvrigt, DAP med vand og imidazol phosphorylerede effektivt lipidbyggestenene glycerol og fedtsyrer, fører til selvsamling af små fosfolipidkapsler kaldet vesikler - primitive versioner af celler.

DAP i vand ved stuetemperatur phosphorylerede også aminosyrerne glycin, asparaginsyre og glutaminsyre, og hjalp derefter med at forbinde disse molekyler til korte peptidkæder (peptider er mindre versioner af proteiner).

"Med DAP og vand og disse milde forhold, du kan få disse tre vigtige klasser af præ-biologiske molekyler til at komme sammen og blive transformeret, skabe mulighed for, at de kan interagere sammen, " sagde Krishnamurthy.

Krishnamurthy og hans kolleger har tidligere vist, at DAP effektivt kan phosphorylere en række simple sukkerarter og dermed hjælpe med at konstruere fosforholdige kulhydrater, som ville have været involveret i tidlige livsformer. Deres nye arbejde tyder på, at DAP kunne have haft en meget mere central rolle i livets oprindelse.

"Det minder mig om fe-gudmoren i Askepot, der vifter med en tryllestav og 'pof, ''pof, ''pof, ' alt simpelt forvandles til noget mere komplekst og interessant, " sagde Krishnamurthy.

DAPs betydning for at kickstarte liv på Jorden kan være svær at bevise flere milliarder år efter. Krishnamurthy bemærkede, selvom, at nøgleaspekter af molekylets kemi stadig findes i moderne biologi.

"DAP fosforylerer via den samme phosphor-nitrogenbindingsbrud og under de samme betingelser som proteinkinaser, som er allestedsnærværende i nutidens livsformer, " sagde han. "DAP's fosforyleringskemi minder også meget om det, der ses i reaktionerne i hjertet af hver celles metaboliske cyklus."

Krishnamurthy planlægger nu at følge disse spor, og han har også slået sig sammen med geokemikere fra tidlig jord for at forsøge at identificere potentielle kilder til DAP, eller tilsvarende virkende phosphor-nitrogenforbindelser, der var på planeten før livet opstod.

"Der kan have været mineraler på den tidlige Jord, der frigav sådanne fosfor-nitrogen-forbindelser under de rigtige forhold, " sagde han. "Astronomer har fundet beviser for fosfor-nitrogen-forbindelser i gas og støv i det interstellare rum, så det er bestemt plausibelt, at sådanne forbindelser var til stede på den tidlige Jord og spillede en rolle i fremkomsten af ​​livets komplekse molekyler."