Livlig kemi skabt i laboratoriesøgning efter måder at studere livets oprindelse på

University of Wisconsin-Madison forskere har dyrket naturtro kemiske reaktioner, mens de var banebrydende for en ny strategi for at studere livets oprindelse.

Arbejdet er langt fra at springe livet i laboratoriet i gang. Endnu, det viser, at simple laboratorieteknikker kan anspore til den slags reaktioner, der sandsynligvis er nødvendige for at forklare, hvordan livet startede på Jorden for omkring fire milliarder år siden.

Forskerne udsatte en rig suppe af organiske kemikalier for gentagen udvælgelse ved konstant at nedtrappe den kemiske befolkning og lade den bygge op igen med tilføjelse af nye ressourcer. Over generationer af udvalg, systemet syntes at forbruge sine råvarer, bevis for, at udvælgelse kan have forårsaget spredning af kemiske netværk, der er i stand til at formere sig selv.

På længere tidspunkter, disse kemiske ændringer svingede i et gentaget mønster. Denne boom-og-bust cyklus er endnu ikke fuldstændig forklaret, men det er et godt bevis på, at de kemiske supper etablerede feedback -sløjfer, der lignede dem, der findes i levende organismer. David Baum, en UW-Madison professor i botanik, og hans team offentliggjorde deres resultater 23. oktober, 2019, i journalen Liv . Arbejdet blev finansieret af National Science Foundation og NASA.

Nu, andre forskere kan bruge denne eksperimentelle tilgang og hjælpe med at fjerne, hvilke komponenter der er nødvendige for at tilskynde til naturtro kemiske systemer, og om disse kemiske netværk kan fortsætte med at udvikle mere komplekse træk.

Hvis dette system kan generere større kompleksitet, det kan hjælpe med at løse gåden om, hvordan simple kemikalier til sidst gav anledning til noget så indviklet som den cellulære forfader, der affødte alt liv i dag.

"Et kernespørgsmål i livets oprindelse er:Hvordan får du evolution, før der var sådan genetisk information inden for DNA eller RNA?" siger Baum. "Det, vi nu har indset, er, at udviklingen af ​​kemiske netværk kan løse dette problem, og det er noget, vi kan tackle i laboratoriet. "

For at teste ideen om kemisk økosystemudvikling, forskerne samlede en rig suppe af kemikalier. I havvand, de opløste aminosyrer, sukker, almindelige organiske forbindelser, spormineraler og byggestenene i nukleinsyrer. For at give systemet endnu mere en fordel, forskerne tilsatte det rige havvand med ATP, et højenergimolekyle, der driver næsten alle livets reaktioner i dag, men som næppe ville eksistere i urtiden.

"Ikke alle disse kemikalier var muligvis tilgængelige på den tidlige jord, men vi forsøger at fremskynde en proces, der i teorien kunne komme i gang med endnu enklere byggesten, "siger Baum, som også er en opdagelsesfælle ved Wisconsin Institute for Discovery.

Teamet blandede deres ursuppe med fine pyritkorn, et mineral af jern og svovl også kendt som fjolsguld. Med udgangspunkt i den tyske kemiker Günter Wächtershäusers forslag fra 1988 om kemisk udvikling, Baums team mener, at pyrit er et ideelt materiale til dyrkning af naturtro kemi.

"Pyrit var et almindeligt mineral på urjorden, det kan binde sig til en masse organiske forbindelser, og det kan katalysere reaktioner mellem dem, "siger Lena Vincent, en kandidatstuderende i Baums laboratorium og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "Og, meget elegant, mange stærkt konserverede enzymer på tværs af livet har kerner, der ligner meget pyrit. De er dybest set pyrit pakket ind i protein. "

Forskerne tilføjede et par dråber af den berigede havvandssuppe til en lille mængde knust pyrit i et hætteglas og blandede opløsningen i et par dage. Dette var den første generation. For at starte den næste generation, Vincent tog en lille mængde af den første opløsning og blandede den i et hætteglas med frisk suppe og pyrit. Over et dusin eller flere generationer, kun de kemiske netværk, der kunne formeres hurtigere, end de blev fortyndet, ville overleve og sprede sig.

Efter 12 eller 18 generationer, forskerne så et fald i tilgængeligt fosfat - en aflæsning af ATP -brug - og i det opløste organiske materiale, hvilket antydede, at kemiske forbindelser kunne klæbe til og sprede sig langs pyritkornene.

Da de inspicerede pyritten under ultrahøj forstørrelse, forskerne så en overflod af fraktale former spredt sig langs overfladen af ​​mineralet i de eksperimentelle prøver, men ikke i kontrolprøver, der manglede en historie med selektion.

Selvom disse fraktale former ser ud til at være salte og sandsynligvis ikke selv er naturtro, forskerne formoder, at de kan være forårsaget af en tynd udstrygning af organiske forbindelser bundet til kornene. Fraktalerne dukkede aldrig op, da organisk materiale blev efterladt fra opløsningen.

"Forskere har ledt efter eksempler på reaktioner, der spontant kompleksiserer og organiserer organiske kemikalier i lang tid, "siger Jim Cleaves, en medforfatter på arbejdet fra Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology i Japan. "Baseret på dette arbejde, og andre eksperimenter, vi har udført på ELSI, det ser ud til, at sådanne reaktioner måske slet ikke er utroligt sjældne, det kan simpelthen være et spørgsmål om at bruge de rigtige værktøjer til at finde dem. "

Da forskerne kørte eksperimentet ud til 40 generationer, de observerede perioder med gradvis ændring afbragt af pludselige vendinger til startbetingelserne. Selvom årsagen til disse nedbrud stadig er ukendt, denne form for ikke-lineær feedback loop findes på tværs af livet og er et bevis på, at det eksperimentelle system fremkaldte kompleks adfærd i den kemiske suppe.

"Denne ikke-linearitet er en forudsætning for al den interessante naturtro adfærd, vi leder efter, herunder selvudbredelse og evolution, "siger Vincent. Forsigtigt begejstret med deres foreløbige succes, Baum og hans team er nu ivrige efter at rekruttere andre til at hjælpe dem med at forfine deres system.

"Vi ønskede at udvikle et system, som vi kan undersøge yderligere for at løse spørgsmål om udviklingsmuligheder. Og forhåbentlig vil andre laboratorier bruge denne protokol og forbedre den, "siger Baum." Det var præcis her, vi ville være. "