Helix, af DNA -berømmelse, kan være opstået med opsigtsvækkende lethed

At forsøge at forklare, hvordan DNA og RNA udviklede sig til at danne sådanne pæne spiraler, har været en berygtet gåde i videnskaben. Men en ny undersøgelse tyder på, at rotationen muligvis er sket let for milliarder af år siden, da RNAs kemiske forfædre tilfældigt snurrede til spiralformede tråde.

I laboratoriet, forskere ved Georgia Institute of Technology var overraskede over at se dem gøre det under forhold, der menes at være almindelige på Jorden lige før det første liv udviklede sig:i almindeligt vand, uden katalysatorer, og ved stuetemperatur.

Den pæne spiral integrerede også elegant en anden forbindelse, der i dag danner rygraden i RNA og DNA. Den resulterende struktur havde funktioner, der lignede stærkt RNA.

Afgørende vendinger

Undersøgelsen er kommet et skridt tættere på at besvare et kyllingæg-spørgsmål om den evolutionære vej, der førte til RNA (hvorfra DNA senere udviklede sig):Kom spiralen først, og påvirkede denne struktur, hvilke molekylære komponenter der senere kom ind i RNA, fordi de passede godt ind i spiralen?

"Spiraliseringen kunne have haft en forstærkende effekt. Det kunne have gjort det lettere for molekylerne at blive forbundet sammen, der har den samme kiralitet (kurve) for at forbinde til en fælles rygrad, der er kompatibel med det spiralformede twist, "sagde undersøgelsens hovedforsker Nicholas Hud, en professor i Regents i Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry.

Forskerne offentliggjorde den nye undersøgelse i tidsskriftet Angewandte Chemie i december 2018. Forskningen blev finansieret af National Science Foundation og NASA Astrobiology Program under Center for Chemical Evolution. Centret har hovedsæde i Georgia Tech, og Hud er dens hovedforsker.

Undersøgelsens resulterende polymerer var ikke RNA, men kunne have været et vigtigt mellemtrin i den tidlige udvikling af RNA. Til byggesten, forskerne brugte basismolekyler kaldet "proto-nukleobaser, "stærkt mistænkt for at være forstadier til nukleobaser, hovedkomponenter, der transporterer genetisk kode i nutidens RNA.

Nucleobase -paradoks

Undersøgelsen skulle omgå et paradoks i kemisk udvikling:

At lave RNA eller DNA ved hjælp af deres egentlige nukleobaser i laboratoriet uden hjælp fra de enzymer i levende celler, der normalt udfører dette job, er mere end en herculean opgave. Dermed, selvom RNA og DNA er allestedsnærværende på Jorden nu, deres udvikling på jorden før liv synes at have været en anomali, der kræver uregelmæssige konvergenser af ekstreme forhold.

Derimod, Georgia Tech-forskernes model for kemisk udvikling fastslår, at forløber-nukleobaser let samles til forfædres prototyper-der var polymerlignende og omtalt som samlinger-som senere udviklede sig til RNA.

"Vi vil kalde disse 'proto-nukleobaser' eller 'forfædre nukleobaser, '"Sagde Hud." For vores overordnede model for kemisk udvikling, vi siger, at disse proto-nukleobaser, som samler sig i disse lange tråde, kunne have været en del af et meget tidligt stadie, før moderne nukleobaser blev inkorporeret. "

En hovedmistænkt proto-nukleobase i dette eksperiment-og i tidligere forsøg med mulig udvikling af RNA-var triaminopyrimidin (TAP). Cyanursyre (CA) var en anden. Forskerne formoder stærkt, at TAP og CA var dele af et proto-RNA.

De kemiske bindinger, der holder sammen de to formodede proto-nukleobaser, var overraskende stærke, men ikke-kovalente, hvilket ligner at forbinde to magneter. I RNA er hovedbindingerne, der holder sammen moderne nukleobaser, kovalente bindinger, ligner svejsning, og enzymer danner disse bindinger i celler i dag.

Heliske skævheder

En helix kan spiraliseres på to måder, venstrehåndet eller højrehåndet. I kemi, et molekyle kan også afleveres, eller kiral, fremstilling af "L" eller "D" former af molekylet.

I øvrigt, byggestenene i nutidens RNA og DNA er alle D -form, som laver en højrehåndsspiral. Hvorfor de udviklede sig sådan er stadig et mysterium.

Batcher af TAP og CA startede forskerne med at producere nogenlunde lige store mængder højre- og venstrehåndede spiraler, men noget skilte sig ud:Hele områder af et parti var forudindtaget i den ene retning og var adskilt fra andre regioner, der for det meste spiraliserede den anden vej.

"Tilbøjeligheden for molekylerne til at vælge en spiralformet retning var så stærk, at store områder af partierne hovedsageligt bestod af samlinger, der var ensrettet snoet, "Sagde Hud.

Dette var overraskende, fordi de enkelte molekyler i TAP og CA ikke havde nogen egen chiralitet, hverken L eller D. Stadig, vendingerne havde en foretrukken retning.

'verdensrekord'

Forskerne tilføjede yderligere to eksperimenter for at teste, hvor stærkt deres RNA-lignende forsamlinger foretrak at lave enhåndsspiraler.

Først, de introducerede en smidgeon af forbindelser, der ligner TAP og CA, men som havde L- eller D -kiralitet, at skubbe spiralretningen. Hele batchen var i overensstemmelse med chiraliteten af ​​det respektive tilsætningsstof, resulterer i forsamlinger, der snor sig i en samlet retning, som spiraler gør i RNA og DNA i dag.

"Det var den nye verdensrekord for den mindste mængde af et chiralt dopingmiddel (additiv), der ville vende en hel løsning, "sagde Suneesh Karunakaran, undersøgelsens første forfatter og kandidatforsker i Huds laboratorium. "Dette demonstrerede, hvor let det ville være i naturen at få rigelige mængder af ensartede spiraler."

Sekund, de satte sukkerforbindelsen ribose-5-phosphat sammen med TAP for mere at efterligne de nuværende byggesten i RNA. Ribosen faldt på plads, og den resulterende samling spiraliserede i en retning dikteret af ribose -kiraliteten.

"Dette molekyle dannede let en RNA-lignende samling, der var overraskende stabil, selvom stykkerne kun blev holdt sammen af ​​ikke-kovalente bindinger, "Sagde Karunakaran.

Evolution revolution

Undersøgelsens resultater under så enkle forhold repræsenterer et spring fremad i eksperimentelle beviser for, hvordan biomolekylernes spiralformede twist allerede kunne have været på plads længe før livet opstod.

Forskningen udvider også en voksende mængde beviser, der understøtter en ukonventionel hypotese fra Center for Chemical Evolution, som afviser behovet for en fortælling om, at sjældne katastrofer og usandsynlige ingredienser var nødvendige for at producere livets tidlige byggesten.

I stedet, de fleste biomolekyler opstod sandsynligvis i flere gradvise trin, på stille, regnvejrede snavslejligheder eller søbredder, der er skramlet af bølger. Forløbermolekyler med den rigtige reaktivitet aktiverede disse trin let og producerede rigelige materialer til yderligere evolutionære trin.

Kælderingeniør

I laboratoriet, helix selvsamling var så produktiv, at den overgik en detektionsenheds evne til at undersøge output. Områder på en kvadratmillimeter eller mere i størrelse blev pakket med ensrettet spiralformede polymerlignende samlinger.

"For at se dem måtte jeg foretage justeringer af udstyret, "sagde Karunakaran." Jeg slog huller i en folie og lagde den foran strålen på vores spektropolarimeter. "

Det virkede, men trængte til forbedring, så Hud tog til sin kælder derhjemme for at bygge en automatiseret scanner, der kunne klare eksperimentets rigelige resultater. Det afslørede store områder med spiraler med samme håndethed.