Små enzym-lignende polymerer kan have hjulpet med at starte livet

Den største indsats inden for forskning i livets oprindelse er fokuseret på at forstå den præbiotiske dannelse af biologiske byggesten. Imidlertid, det er muligt, at tidlig biologisk udvikling var afhængig af forskellige kemiske strukturer og processer, og disse blev gradvist over tid erstattet af æoner af evolution. For nylig, kemikere Irena Mamajanov, Melina Caudan og Tony Jia ved Earth-Life Science Institute (ELSI) i Japan lånte ideer fra polymervidenskab, medicin levering, og biomimik for at udforske denne mulighed. Overraskende nok, de fandt ud af, at selv små meget forgrenede polymerer kunne tjene som effektive katalysatorer, og disse kan have hjulpet livet i gang.

I moderne biologi, kodede proteinenzymer udfører det meste af det katalytiske arbejde i celler. Disse enzymer er opbygget af lineære polymerer af aminosyrer, som foldes op og dobbelt-rygge på sig selv for at danne faste tredimensionelle former. Disse præformede former giver dem mulighed for at interagere meget specifikt med de kemikalier, hvis reaktioner de katalyserer. Katalysatorer hjælper reaktioner med at ske meget hurtigere, end de ellers ville men bliv ikke opslugt af selve reaktionen, så et enkelt katalysatormolekyle kan hjælpe med at den samme reaktion sker mange gange. I disse tredimensionelle foldede tilstande, det meste af katalysatorens struktur interagerer ikke direkte med de kemikalier, den virker på, og hjælper bare enzymstrukturen med at holde sin form.

I nærværende arbejde, ELSI-forskere studerede hyperforgrenede polymerer - trælignende strukturer med en høj grad og tæthed af forgrening, som i sig selv er kugleformede uden behov for informeret foldning - hvilket er nødvendigt for moderne enzymer. Hyperforgrenede polymerer, som enzymer, er i stand til at placere katalysatorer og reagenser, og modulering af lokal kemi på præcise måder.

Den største indsats inden for forskning i livets oprindelse er fokuseret på at forstå den præbiotiske dannelse af moderne biologiske strukturer og byggesten. Logikken er, at disse forbindelser eksisterer nu, og dermed at forstå, hvordan de kunne laves i miljøet, kan hjælpe med at forklare, hvordan de blev til. Imidlertid, vi kender kun ét eksempel på livet, og vi ved, at livet hele tiden udvikler sig, hvilket betyder, at kun de mest succesrige varianter af organismer overlever. Det kan derfor være rimeligt at antage moderne organismer ligner måske ikke meget først organismer, og det er muligt, at præbiotisk kemi og tidlig biologisk evolution var afhængig af andre kemiske strukturer og processer end moderne biologi til at reproducere sig selv. Som en analogi med teknologisk udvikling, tidlige katodestråle-tv-apparater udførte mere eller mindre samme funktion som moderne high definition-skærme, men de er fundamentalt forskellige teknologier. Den ene teknologi førte til skabelsen af ​​den anden på nogle måder, men det var ikke nødvendigvis den andens logiske og direkte forløber.

Hvis denne form for "stillads"-model for biokemisk evolution er sand, spørgsmålet bliver, hvilken slags simplere strukturer, ud over dem, der anvendes i nutidige biologiske systemer, kunne have hjulpet med at udføre de samme slags katalytiske funktioner, det moderne liv kræver? Mamajanov og hendes team ræsonnerede, at hyperforgrenede polymerer kunne være gode kandidater.

Holdet syntetiserede nogle af de hyperforgrenede polymerer, de studerede, ud fra kemikalier, som med rimelighed kunne forventes at have været til stede på Jorden tidligt, før livet begyndte. Holdet viste derefter, at disse polymerer kunne binde små naturligt forekommende uorganiske klynger af atomer kendt som zinksulfidnanopartikler. Sådanne nanopartikler er kendt for at være usædvanligt katalytiske i sig selv.

Som ledende videnskabsmand Mamajanov kommenterer, 'Vi prøvede to forskellige typer hyperforgrenede polymerstilladser i denne undersøgelse. For at få dem til at fungere, alt vi skulle gøre var at blande en zinkchloridopløsning og en opløsning af polymer, tilsæt derefter natriumsulfid, og "voila, "Vi fik en stabil og effektiv nanopartikelbaseret katalysator."

Holdets næste udfordring var at demonstrere, at disse hyperforgrenede polymer-nanopartikel-hybrider faktisk kunne gøre noget interessant og katalytisk. De fandt ud af, at disse metalsulfid-doterede polymerer, der nedbryder små molekyler, var særligt aktive i nærvær af lys, i nogle tilfælde katalyserede de reaktionen med så meget som en faktor 20. Som Mamajanov siger, »Indtil videre har vi kun undersøgt to mulige stilladser og kun ét dopingmiddel. Der er utvivlsomt mange, mange flere eksempler på dette mangler at blive opdaget.'

Forskerne bemærkede yderligere, at denne kemi kan være relevant for en livsoprindelsesmodel kendt som 'Zinkverdenen'. Ifølge denne model, den første metabolisme blev drevet af fotokemiske reaktioner katalyseret af zinksulfidmineraler. De tror, ​​at med nogle ændringer, sådanne hyperforgrenede stilladser kunne justeres til at studere analoger af jern- eller molybdænholdige proteinenzymer, herunder vigtige involverede i moderne biologisk nitrogenfiksering. Mamajanov siger, 'Det andet spørgsmål, dette rejser, er, forudsat at liv eller før liv brugte denne form for stilladsproces, hvorfor bosatte livet sig i sidste ende på enzymer? Er der en fordel ved at bruge lineære polymerer frem for forgrenede? Hvordan, hvornår og hvorfor skete denne overgang?'