Fra kemisk reaktion til levende celler – hvad startede udviklingen af ​​tidligt liv på jorden?

Kemikere med base i München har vist, at vekslen under våde og tørre forhold på den tidlige Jorden kunne have været nok til at sætte gang i den præbiotiske syntese af RNA-nukleosider, der findes i alle livets domæner.

Mens forståelsen af ​​forholdene på den tidlige jord vokser, udviklingen af ​​RNA og DNA for omkring 4 milliarder år siden er stadig omgærdet af mystik. Hvad var oprindelsen af ​​de kemiske strukturer, der danner underenhederne af det, vi nu kender som arvelige molekyler RNA og DNA? Disse molekyler fortsatte derefter med at knytte sig til lange kæder, der ikke kun kodede information, men reproducerede og videregav den:hvordan startede alt det? Eftersøgningen fortsætter for at vide mere om den kemiske udvikling, der gik forud for de første biologiske celler.

Forskning udført ved Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München, Tyskland, delvist støttet gennem EU's EPiR-projekt, har arbejdet på dette fascinerende hul i vores viden, og holdets seneste resultater er nu offentliggjort i Natur . Ved at udsætte simple kemikalier for den slags fluktuerende fysiske forhold, der ville have hersket i geotermisk aktive områder på vores planet for milliarder af år siden, såsom dem forårsaget af vulkansk aktivitet, forskere har vist, at nukleosider kan dannes i en kontinuerlig proces.

Livsfremkaldende kedel af ingredienser

De startede med en blanding af de grundstoffer, der tidligere har vist sig at danne simple forstadier under probiotiske forhold:myresyre, natriumnitrit, eddikesyre og nogle få nitrogenholdige forbindelser. Reaktionsblandingen indeholdt også jern og nikkel, som begge findes i overflod i jordskorpen. De udsatte derefter partiet for temperatursvingninger, pH og fugtighed for at efterligne tidlige forhold, som dem, der skyldes stærkt skiftende sæsonbestemte temperaturer.

Holdet byggede på arbejde udført sidste år ved ikke kun at begynde med enklere prækursorforbindelser, men ved at vælge at kopiere forhold, der ville forventes at herske i et plausibelt geologisk miljø, som hydrotermiske kilder på land.

Ved at tilføje disse ingredienser sammen og udsætte dem for de forhold, der efterligner den tidlige Jords geologi og meteorologi, holdet fandt ud af, at en række reaktioner gav anledning til forbindelser kaldet formamidopyrimidiner - en afgørende opdagelse, da disse forbindelser kan blive til adenosin og guanosin, som begge findes i DNA. En hel række af beslægtede molekyler blev også syntetiseret.

Forskerne skriver bl. "Endnu mere slående, alle de observerede modifikationer er kendt for at forekomme i RNA'er i alle tre livsdomæner - Eukaryota (dyr og planter), Bakterier og Archaea – og er derfor væsentlige komponenter i funktionelle genetiske systemer." Ud fra deres resultater mener forskerne, at forbindelserne højst sandsynligt var til stede i den sidste fælles forfader af alle livsformer. Dette igen, de argumenterer, "(...) tyder på, at disse forbindelser må have været tilgængelige på den tidlige Jord, da den biologiske udvikling begyndte."

EU-støtte hjælper med at opklare mysterierne om livets oprindelse på Jorden

EU's fremskudte bevilling til EPiR (The Chemical Basis of RNA Epigenetics) er med til at støtte forskning i kemiens rolle i udviklingen af ​​det tidlige liv. EPiR forklarer, at den genetiske kode består af en defineret sekvens af fire kanoniske nukleosider, og sekvensen af ​​disse baser bærer tegningerne af alt liv på jorden. Det er tydeligt, at denne sekvensinformation alene ikke er tilstrækkelig til at forklare, hvordan en multicellulær organisme kan etablere specialiserede celler som de 200 kendte celletyper i en menneskekrop.

Det her, EPiR forklarer, kræver et andet informationslag, og det er blevet tydeligt, at dette informationslag er stærkt baseret på kemi. Mere end 150 kemiske derivater af RNA-nukleosider er kendt, og mange flere venter på opdagelse. Derfor forsker EPiR i RNA-modifikationer for at dechifrere deres funktioner.