Kompleks stofskifte kan have samlet sig selv fra simple prækursorer

Alt moderne liv bruger energi til at reproducere sig selv. Under denne proces, organismer opbygger og nedbryder større molekyler såsom fedt og sukker ved hjælp af et bemærkelsesværdigt almindeligt sæt reaktive mellemenergibærermolekyler. Disse mellemenergibærere (f.eks. ATP) er ofte ikke byggesten i sig selv, men de tillader energikoblingen mellem separate reaktioner, der er nødvendige for at skubbe cellulær reproduktion fremad.

En klasse af disse forbindelser er thioestere, kemiske forbindelser, der indeholder en højenergi-kulstof-svovlbinding. Forskere har i nogen tid spekuleret i, at thioestere kan være blandt de ældste versioner af sådanne metaboliske reaktive mellemprodukter, dels fordi moderne organismer stadig bruger thioestere til at nedbryde sukkerarter og lave proteiner ud fra aminosyrer. Hvor reaktive mellemforbindelser som thioestere kunne have udviklet sig før livet udviklede sig, eller da det tidlige liv tog sine første spæde skridt, forbliver indhyllet i mystik.

Nyt arbejde fra forskere ved Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology viser, at en simpel forbindelse fundet i nogle moderne vulkanske gasser, en thiosyre (en forbindelse dannet af en organisk syre og hydrogensulfid), reagerer let med simple svovlholdige thiolforbindelser svarende til dem, der er grundlæggende for moderne stofskifte, for at danne reaktive thioestere svarende til dem, der findes i moderne biologi. Denne reaktion sker let i vand og kan have tjent som udgangspunkt for udviklingen af ​​mere kompleks biokemi. Under forskningen, fandt forskerne ud af, at når de inkluderede jern i deres reaktioner (som er meget rigeligt på Jorden), reaktionsproduktudbytterne steg.

Holdet foreslår, at dette kan betyde energikobling mellem flere reaktioner, hvor en reaktion driver en anden fremad, kan have sin oprindelse i ikke-levende miljøkemi. Bemærkelsesværdigt, de fandt også, at et biprodukt af reaktionen kan bruges til at lave en anden type alsidig energikoblingsforbindelse, der kræves af alle levende ting:FeS (forkortelse for jern-svovl) klynger. Disse er små aggregater af kun nogle få atomer hver af jern og svovl, som hjælper organismer med at metabolisere, når de flytter elektroner fra et molekyle til et andet. Et vigtigt eksempel på en sådan FeS-klynge-bruger-vej er fotosyntese, som overfører elektroner fra vand til CO ₂ at lave sukker og ilt. Dette arbejde giver således en ny forståelse af, hvordan højenergimolekyler og elektronoverførselsreaktioner kan være blevet naturligt produceret, da tidlig metabolisme udviklede sig.

Selvom videnskabsmænd i nogen tid har forsøgt at forstå oprindelsen af ​​livets byggesten, Der er blevet gjort en lille indsats for at forstå, hvordan energioverførsel opstod i præbiotisk kemi. At forstå denne energiudveksling kunne være lige så vigtig som at forstå oprindelsen af ​​byggesten, så ELSI-teamet besluttede at søge efter reaktioner, der kunne kobles sammen energisk.

Hovedforfatter Sebastian Sanden siger, "Vi studerede allerede FeS mineraler, og vi vidste, hvor let deres dannelse var, så vi ville se, om vi kunne koble denne overskydende spildte energi til en anden reaktion." Thiosyren, de oprindeligt undersøgte, indeholder svovl, som de vidste, at dengang kun skulle reageres med jern for at lave de FeS-klynger, de allerede studerede.

De eksperimenter og analyser, som ELSI-forskerne udførte, skulle udføres hurtigt efter hinanden for at spore reaktionens fremskridt. De udviklede teknikker til at gøre dette, og dermed var de i stand til at bestemme, hvor hurtigt disse reaktioner skete. Deres foreløbige thioesterfremstillingseksperimenter forløb ikke så hurtigt, som de oprindeligt håbede, men ved at tilføje en katalysator og øge temperaturen, de fandt, at maksimale thioesterudbytter blev opnået på mindre end en time, i modsætning til et par dage før du foretager disse ændringer.

Holdet synes, det er særligt fascinerende, at denne slags reaktioner kan skabe "kaskadereaktioner, "som laver flere og mere komplekse molekyler:Pyruvat nedbrydes, hjælper med at danne en thioester, som så tillader peptider (mindre fætre til proteiner) at dannes via den nyligt opdagede thioester-vej. Holdet håber at teste dette eksperimentelt næste gang og at skabe et system, der kan øge antallet af komponenter, det indeholder af sig selv, måske hele vejen til selvreproduktion.

Faktisk, nogle moderne mikrober bruger pyruvatnedbrydning og thioesterdannelse assisteret af FeS-klynger i deres stofskifte, og det er muligt, at de reaktioner, holdet opdagede, rekapitulerer, hvor tidligt præbiologisk eller biologisk evolution opdagede dem. ledende efterforsker, ELSI lektor Shawn McGlynn, siger, "Dette arbejde giver nye forbindelser mellem flere præbiotiske reaktionskomponenter, der kan have været afgørende for at etablere tidlig energimetabolisme på Jorden."

Selvom dette arbejde kan kaste nyt lys over, hvordan naturligt forekommende energiudvekslingsreaktioner kan have hjulpet med at sætte gang i stofskiftet, det kan også være vigtigt for området grøn kemi, som beskæftiger sig med at finde de mest energieffektive og miljøvenlige metoder til at lave kemiske forbindelser. Mens giftige tungmetaller som cadmium og kviksølv og opløsningsmidler som chloroform ofte bruges i industriel organisk kemi, de reaktioner, som denne forskergruppe har opdaget, er meget effektive og virker i vand med ugiftigt jern som katalysator.