Et kemisk fingerpeg om, hvordan livet startede på Jorden

Jorden rummer ikke altid liv. Men for omkring 4 milliarder år siden, noget i miljøet ændrede sig, og systemer med biologiske egenskaber begyndte at dukke op. Mange forskere mener, at en livlig dans af molekyler kaldet aminosyrer delvis er ansvarlig for skiftet:Molekyler forbundet, brød fra hinanden og kom til sidst sammen til at danne et liv, som vi kender det.

Vi ved måske aldrig præcist, hvordan processen fungerede, men kemikere i dag har gjort nye opdagelser, der bygger på lovende teorier om, hvordan livet dannede sig.

"Hvordan kemi førte til komplekst liv, er et af de mest fascinerende spørgsmål, som menneskeheden har overvejet, "siger Luke Leman, Ph.d., adjunkt i kemi ved Scripps Research. "Der er mange teorier om proteinernes oprindelse, men ikke så meget eksperimentel laboratoriestøtte til disse ideer."

Leman ledede for nylig en undersøgelse af selve opskriften på liv på den tidlige jord; forskningen offentliggøres i Procedurer fra National Academy of Sciences . Han arbejdede tæt sammen med forskere ved Georgia Institute of Technology og Center for Chemical Evolution, som støttes af National Science Foundation og NASA.

"Forskningen hjælper os med at forstå, hvordan positivt ladede peptider kunne have dannet sig på den præbiotiske jord, "siger Moran Frenkel-Pinter, Ph.d., en postdoktor ved Georgia Tech og første forfatter af papiret. Peptider dannes, når to eller flere aminosyre byggesten blinker, fører til de proteiner, der udgør hver organisme.

Leman, Frenkel-Pinter og mange andre forskere på dette område synes det er mærkeligt, at alt levende på vores planet danner sine proteiner fra nøjagtig det samme sæt af 20 aminosyrer. Hvorfor det specifikke sæt? Forskere ved, at der er mange flere aminosyrer derude. Faktisk, meteoritter med op til 80 aminosyrer er landet på Jorden.

"I den præbiotiske jord, der ville have været et meget større sæt aminosyrer, "siger Leman, som også er videnskabelig samarbejdspartner ved Center for Kemisk Evolution. "Er der noget særligt ved disse 20 aminosyrer, eller blev disse bare frosset i et øjeblik af evolution? "

Den nye undersøgelse tyder på, at livets afhængighed af disse 20 aminosyrer ikke er tilfældig. Forskerne viser, at den slags aminosyrer, der bruges i proteiner, er mere tilbøjelige til at koble sig sammen, fordi de reagerer mere effektivt sammen og har få ineffektive sidreaktioner.

Dette fund giver forskere et tilbageblik i tiden og en arbejdsmodel til test af yderligere teorier om livets oprindelse. At forstå, hvordan peptider dannes, er også vigtigt for syntetisk kemi, hvor forskere stræber efter at designe nye molekyler, der kan bruges til lægemiddelterapier og materialevidenskab.

"Dette arbejde er et reelt skridt i retning af at forstå, hvorfor visse byggesten findes i de proteiner, der er vigtige for livet, "siger Kathy Covert, programdirektør ved National Science Foundation's centre for kemisk innovation, som medfinansierer Center for Kemisk Evolution. "Gennem forskning som denne, centret realiserer sin ambitiøse mission om at kaste lys over biopolymerers kemi, et fundament for alt levende. "

Til forsøget, forskerne sammenlignede "proteinholdige" aminosyrer - dem, der bruges af organismer i dag - til aminosyrer, der ikke findes i levende ting. Forskerne vidste, at fordampning af vand kunne have skabt de betingelser, der er nødvendige for, at aminosyrer kan knyttes sammen på den tidlige jord, så de brugte en tørrereaktion - vand fordamper og varme tilføres - for at efterligne de naturlige forhold, der får aminosyrer til at danne peptider.

"Med opvarmnings- og tørringscyklusser, du kan danne kæder af aminosyrer, der ligner proteinstrukturer, "Siger Leman.

Deres eksperimenter viste, at proteinholdige aminosyrer er mere tilbøjelige til spontant at knytte sig til store "makromolekyler" uden at kræve andre ingredienser, såsom enzymer eller aktiveringsmidler. Denne kobling er et vigtigt trin i dannelsen af ​​et protein.

De proteinholdige aminosyrer syntes at foretrække reaktivitet gennem en del af deres struktur kaldet alfa-aminen. De dannede for det meste lineære, proteinlignende rygrad "topologier" (geometriske formationer). Denne tendens kunne have givet disse aminosyrer et forspring i foldning og binding, fører til sidst til proteiner.

Baseret på den kemi, de observerede, forskerne har nu en mulig forklaring på udvælgelsen af ​​de positivt ladede aminosyrer, der findes i nutidens proteiner.

"Dette er en rent kemisk drivkraft, der kunne have ført til udvælgelsen af ​​visse aminosyrer frem for andre, "siger Leman.

Loren Williams, Ph.d., professor ved Georgia Tech og medleder af undersøgelsen, siger, at forskningen giver kemikere et udgangspunkt for at forstå, hvordan livet kunne have startet på den tidlige jord, også kaldet Hadean Earth. "Vi begynder at forstå, hvordan rent kemiske processer, baseret på Hadean -jordens, kan producere molekyler, der har overraskende ligheder med biologiske polymerer, "siger Williams, som også er medlem af CCE.

Fremadrettet, forskerne vil gerne undersøge, hvordan disse aminosyrer interagerer med RNA, ingrediensen tidligt, der muligvis har gjort det næste trin i evolution muligt.

"Det vil være interessant at lære, hvordan disse positivt ladede forfædre til proteiner samarbejder med negativt ladede molekyler som RNA, ”siger Frenkel-Pinter.