Kvantekemi løser mysteriet med de 20 aminosyrer i den genetiske kode

Ved hjælp af kvantekemiske metoder, et team af forskere ledet af Dr. Matthias Granold og professor Bernd Moosmann fra Institute of Pathobiochemistry ved Johannes Gutenberg University Mainz løste en af ​​biokemiens ældste gåder. De afslørede, hvorfor der er 20 aminosyrer, der danner grundlaget for alt liv i dag, selvom de første 13 aminosyrer, der blev genereret over tid, ville have været tilstrækkelige til at danne et omfattende repertoire af de nødvendige funktionelle proteiner. Den afgørende faktor er den større kemiske reaktivitet af de nyere aminosyrer frem for deres rumlige struktur. I deres udgivelse i det førende tidsskrift PNAS , de Mainz-baserede forskere postulerer også, at det var stigningen i ilt i biosfæren, der udløste tilføjelsen af ​​supplerende aminosyrer til proteinværktøjskassen.

Alt liv på Jorden er baseret på 20 aminosyrer, som er styret af DNA'et til at danne proteiner. I det nedarvede DNA, det er altid tre sekventielle DNA-baser, eller kodoner, som kombineres for at "kode" en enkelt af disse 20 aminosyrer. Det resulterende gitter af kodoner er det, der er kendt som den genetiske kode. "Forskere har i årtier undret sig over, hvorfor evolution har valgt disse 20 aminosyrer til genetisk kodning, " sagde professor Bernd Moosmann. "Tilstedeværelsen af ​​de sidste og nyeste syv aminosyrer er særlig svær at forklare, fordi egnede og funktionelle proteiner kan samles ved hjælp af kun de første og ældste 10 til 13 aminosyrer."

I en ny tilgang, forskerne sammenlignede kvantekemien af ​​alle aminosyrer brugt af livet på Jorden med kvantekemien af ​​aminosyrer fra rummet, bragt ind på meteoritter, såvel som med moderne referencebiomolekyler. De fandt ud af, at de nyere aminosyrer var blevet systematisk blødere, dvs. lettere reaktiv eller tilbøjelig til at gennemgå kemiske ændringer. "Overgangen fra den døde kemi derude i rummet til vores egen biokemi her i dag var præget af en stigning i blødhed og dermed en øget reaktivitet af byggestenene, " forklarede Moosmann. Forskerne var i stand til at verificere resultaterne af deres teoretiske beregninger i biokemiske eksperimenter. Funktionelle aspekter må også have spillet en væsentlig rolle med hensyn til de nyere aminosyrer, da disse nytilkomne næppe udviser særlige fordele, når det kommer til at opbygge protein strukturer.

Imidlertid, problemet forblev, hvorfor de bløde aminosyrer blev tilføjet til værktøjskassen i første omgang. Hvad var det egentlig disse let-reaktive aminosyrer skulle reagere med? På baggrund af deres resultater, forskerne konkluderer, at i det mindste nogle af de nye aminosyrer, især methionin, tryptofan, og selenocystein, blev tilføjet som følge af stigningen i iltniveauet i biosfæren. Denne ilt fremmer dannelsen af ​​giftige frie radikaler, som udsætter moderne organismer og celler for massivt oxidativt stress. De nye aminosyrer gennemgik kemiske reaktioner med de frie radikaler og fjernede dem på en effektiv måde. De oxiderede nye aminosyrer, på tur, var let at reparere efter oxidation, men de beskyttede andre og mere værdifulde biologiske strukturer, som ikke kan repareres, fra ilt-induceret skade. Derfor, de nye aminosyrer gav de fjerne forfædre til alle levende celler en meget reel overlevelsesfordel, der gjorde det muligt for dem at få succes med de mere oxiderende, "modig" ny verden på Jorden. "Med dette for øje, vi kunne karakterisere oxygen som forfatteren, der tilføjer det sidste touch til den genetiske kode, "sagde Moosmann.