Cysteinsyntese var et nøgletrin i livets oprindelse:undersøgelse

I et vigtigt skridt under den tidlige udvikling af livet på Jorden, dannelsen af ​​aminosyren cystein leverede vitale katalysatorer, som gjorde det muligt for de tidligste proteinmolekyler at dannes i vand, ifølge en ny undersøgelse fra UCL-forskere.

Alle proteiner er bygget af de samme 20 aminosyrer. En af disse, cystein, blev antaget ikke at have været til stede ved livets oprindelse. På trods af dets grundlæggende betydning for alt liv i dag, det var uklart, hvordan cystein kunne være dannet på den tidlige Jord.

I en ny undersøgelse, udgivet i Videnskab , UCL-forskere har genskabt, hvordan cystein blev dannet ved livets oprindelse. Derudover de har observeret, hvordan engang dannet, cystein katalyserer fusionen af ​​peptider i vand - et grundlæggende skridt på vejen mod proteinenzymer.

UCL-forskerne skabte cystein ved hjælp af meget simpel kemi og kemikalier - hydrogencyanid og hydrogensulfid - der sandsynligvis ville være rigeligt på den tidlige Jord. Ruten, som de har optrevlet, ligner meget, hvordan cystein syntetiseres i levende organismer i dag, og forskerne mener, at de er historisk forbundet.

Undersøgelsen fandt også, at cysteinrester katalyserer peptidsyntese i vand ved at forbinde korte peptidfragmenter, som holdet tidligere havde fundet i en undersøgelse offentliggjort i Natur sidste år.

Seniorforfatter professor Matthew Powner (UCL Chemistry) sagde:"Vores resultater viser, hvordan cystein kan have dannet sig på den tidlige Jord, og hvordan det kunne have spillet en afgørende rolle i udviklingen af ​​proteinsyntese.

"Når først dannet, cysteinkatalysatorer opfører sig som 'proto-enzymer' til at producere peptider i vand. Denne robuste kemi kunne have genereret peptider længe nok til at foldes til enzymlignende strukturer, som ville være forløberne for de proteinenzymer, der er fundamentale for alle levende organismer."

Medforfatter og forskningsstipendiat Dr. Saidul Islam (UCL Chemistry) sagde:"Vi har vist, at nitriler besidder den indbyggede energi, der kræves for at danne peptidbindinger i vand. Dette er den enkleste måde at fremstille peptider på, der fungerer med alle de 20 aminosyrer, hvilket gør det hele mere utroligt.

"Det er netop den slags simple, dog speciel, kemi, der var afgørende for at kickstarte livet for flere milliarder år siden. Vores undersøgelse giver yderligere bevis for, at livets molekyler stammer fra nitrilkemi på den tidlige Jord."

Medforfatter Dr. Callum Foden, der fuldførte arbejdet, mens en ph.d. studerende ved UCL, sagde:"Peptidsyntesen vi opdagede er enkel, meget selektiv og bruger molekyler, der var tilgængelige på den tidlige Jord.

"En enkelt cysteinrest er nok til at producere robust katalytisk aktivitet. Det er bemærkelsesværdigt, at så små molekyler kan udføre en så vigtig (bio)kemisk reaktion, selektivt i vand, ved neutral pH, og i så høje udbytter."

Diskuterer yderligere implikationer af deres undersøgelse, Professor Powner sagde:"Vi har løst et langvarigt problem for livets oprindelse ved at levere en enkel løsning på katalytisk peptidsyntese i vand. Vigtigt, katalysatorerne er kun bygget af biologiens aminosyrer. At forstå, hvordan cystein kunne have kontrolleret dannelsen af ​​Jordens tidligste peptider, har fået den lange vej fra kemi til en levende organisme til at virke lidt kortere, og lidt mindre skræmmende.

"Vores undersøgelse tyder på, at cystein først blev introduceret i livets peptider ved modifikation af serin (en anden af ​​livets aminosyrer). Dette rejser nu vigtige spørgsmål om den tidlige udvikling og kodning af peptidsyntese. Cystein er almindeligt antaget ikke at have været til stede i livets første genetisk kode, og det passer fint med vores observationer. Vores resultater indikerer, at kodet serin kunne give cysteinpeptider, fører til en nøglerolle for cystein i evolutionen, selv før det blev tildelt livets genetiske kode."