Lifes biokemiske netværk kunne have dannet sig spontant på Jorden

Forskere i Strasbourg, Frankrig, har fundet ud af at blande to små biomolekyler, glyoxylat og pyruvat, i jern-salt-rigt vand producerer et reaktionsnetværk, der ligner livets kernebiokemi. Denne opdagelse giver indsigt i, hvordan kemi på den tidlige jord grundlagde udviklingen af ​​det ældste liv. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Forskere, der undersøger livets oprindelse på Jorden, har længe kæmpet for at forklare, hvordan livets biokemi startede for over 4 milliarder år siden. Biokemi er organiseret omkring kun fem universelle metaboliske forstadier bygget på C, O og H - ligesom tung trafik i en stor metropol er organiseret omkring et par transitcentre. Hvorfor livet bruger de molekyler og kemiske reaktioner, det gør, blandt utallige alternativer, er et komplet mysterium.

En gruppe forskere ledet af prof. Joseph Moran ved universitetet i Strasbourg har brugt de sidste par år på at arbejde med oprindelsen til biologisk stofskifte. "Ideen om, at biologisk metabolisme havde en nært beslægtet kemisk forløber, der brugte lignende mellemprodukter og transformationer, er en attraktiv mulighed, "siger Moran. For nylig har gruppen genskabte en rent kemisk ækvivalent af AcCoA -vejen, et sæt reaktioner, der bruges af mikrober til at producere acetat (to carbonatomer) og pyruvat (tre carbonatomer) fra CO ₂ . Bygningsmidler større end tre carbonatomer fra byggesten fremstillet af CO ₂ var hvor fremskridt gik i stå. For at opnå sådanne bedrifter, livet er afhængigt af komplekse enzymer og en kemisk energibærer, ATP. Men både enzymer og ATP er komplekse strukturer, der ikke kunne have eksisteret på en livløs jord. Hvordan opbyggede livet så sin biokemi før enzymer og ATP?

Moran forklarer:"Gennembruddet kom fra at indse, at et kemisk stofskifte kan have fungeret på en lidt anden måde end det fungerer i livet i dag, samtidig bevare det store billede. "Teamet blev inspireret af den centrale rolle som en metabolisme med to kulstof, glyoxylat, i en model udgivet tidligere af teoretiske biolog Daniel Segrè. En anden anelse kom fra organiske kemikere Ram Krishnamurthy og Greg Springsteen, der rapporterede, at pyruvat (tre carbonatomer) og glyoxylat (to carbonatomer) let reagerer for at danne C-C-bindinger i vand. Kamila Muchowska, en postdoktor i Morans team og første forfatter til den aktuelle undersøgelse siger, "Vi blandede glyoxylat og pyruvat i varmt, jernholdigt vand og bemærkede, at det giver anledning til et reaktionsnetværk med over 20 biologiske mellemprodukter, herunder dem, der er så store som seks carbonatomer. "Netværket øger ikke kun kompleksiteten over tid, men det bryder også mellemprodukterne ned til CO ₂ , ligesom livet gør. "Det livlignende kemiske system, der opnås på denne måde, ligner konceptmæssigt funktionen af ​​biologisk anabolisme og katabolisme-ingen enzymer er nødvendige, tilføj bare jern, «siger Moran.

Som en del af undersøgelsen, forskerne testede, hvad der sker, hvis en kilde til nitrogen og en kilde til elektroner indføres i systemet. "Da vi tilføjede hydroxylamin og metallisk jern til forsøget, reaktionsnetværket producerede fire biologiske aminosyrer, "forklarer Sreejith Varma, medforfatter af undersøgelsen. Moran siger, "Interessant nok, i den genetiske kode, de samme fire aminosyrer har alle kodoner, der starter med G, understøtter ideer om, at stofskifte og den genetiske kode kan være opstået parallelt. "

Det nyopdagede reaktionsnetværk har så meget tilfælles med kendte biologiske cyklusser, at teamet undrer sig over, om Krebs- og glyoxylatcyklusserne kunne have haft en rent kemisk oprindelse. "Vi tror, ​​at kemisk stofskifte kunne have opbygget forstadier til biologiske cyklusser på denne måde, før ATP og enzymer fandtes, "siger Muchowska. Strasbourg -forskerne er nu ivrige efter at se, hvordan reaktionsnetværket kan ændre sig som reaktion på forskellige elementer, og om det kan føre til genetikens molekyler.