Forskere opdager nye oprindelser til livets kemiske reaktioner

For fire milliarder år siden så Jorden meget anderledes ud, end den gør i dag, blottet for liv og dækket af et stort hav. I løbet af millioner af år opstod liv i den ursuppe. Forskere har længe teoretiseret, hvordan molekyler kom sammen for at udløse denne overgang. Nu har forskere ved Scripps Research opdaget et nyt sæt kemiske reaktioner, der bruger cyanid, ammoniak og kuldioxid - som alle menes at være almindelige på den tidlige jord - til at generere aminosyrer og nukleinsyrer, byggestenene i proteiner og DNA.

"Vi er kommet med et nyt paradigme til at forklare dette skift fra præbiotisk til biotisk kemi," siger Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., lektor i kemi ved Scripps Research og hovedforfatter af det nye papir, offentliggjort 28. juli , 2022 i tidsskriftet Nature Chemistry . "Vi tror, ​​at den slags reaktioner, vi har beskrevet, sandsynligvis er, hvad der kunne være sket på den tidlige jord."

Ud over at give forskere indsigt i den tidlige jords kemi, er de nyopdagede kemiske reaktioner også nyttige i visse fremstillingsprocesser, såsom generering af specialmærkede biomolekyler fra billige udgangsmaterialer.

Tidligere i år viste Krishnamurthys gruppe, hvordan cyanid kan muliggøre de kemiske reaktioner, der gør præbiotiske molekyler og vand til basale organiske forbindelser, der er nødvendige for livet. I modsætning til tidligere foreslåede reaktioner virkede denne ved stuetemperatur og i et bredt pH-område. Forskerne spekulerede på, om der under de samme betingelser var en måde at generere aminosyrer, mere komplekse molekyler, der sammensætter proteiner i alle kendte levende celler.

I celler i dag genereres aminosyrer fra prækursorer kaldet α-ketosyrer ved hjælp af både nitrogen og specialiserede proteiner kaldet enzymer. Forskere har fundet beviser for, at α-ketosyrer sandsynligvis eksisterede tidligt i Jordens historie. Mange har dog antaget, at før fremkomsten af ​​cellulært liv, må aminosyrer være blevet genereret fra helt andre forstadier, aldehyder, snarere end α-ketosyrer, da enzymer til at udføre omdannelsen endnu ikke eksisterede. Men den idé har ført til debat om, hvordan og hvornår skiftet skete fra aldehyder til α-ketosyrer som nøgleingrediensen til fremstilling af aminosyrer.

Efter deres succes med at bruge cyanid til at drive andre kemiske reaktioner, havde Krishnamurthy og hans kolleger mistanke om, at cyanid, selv uden enzymer, også kunne hjælpe med at omdanne α-ketosyrer til aminosyrer. Fordi de vidste, at nitrogen ville være påkrævet i en eller anden form, tilføjede de ammoniak - en form for nitrogen, der ville have været til stede på den tidlige jord. Derefter, gennem forsøg og fejl, opdagede de en tredje nøgleingrediens:kuldioxid. Med denne blanding begyndte de hurtigt at se aminosyrer dannes.

"Vi forventede, at det ville være ret svært at finde ud af dette, og det viste sig at være endnu enklere, end vi havde forestillet os," siger Krishnamurthy. "Hvis du kun blander ketosyren, cyanid og ammoniak, sidder den bare der. Så snart du tilføjer kuldioxid, selv spormængder, tager reaktionen fart."

Fordi den nye reaktion er relativt lig, hvad der sker i dag inde i celler - bortset fra at være drevet af cyanid i stedet for et protein - ser det ud til, at det er mere sandsynligt, at det er kilden til det tidlige liv snarere end drastisk forskellige reaktioner, siger forskerne. Forskningen hjælper også med at samle to sider af en langvarig debat om kuldioxids betydning for det tidlige liv og konkluderer, at kuldioxid var nøglen, men kun i kombination med andre molekyler.

I processen med at studere deres kemiske suppe opdagede Krishnamurthys gruppe, at et biprodukt af den samme reaktion er orotat, en forløber for nukleotider, der udgør DNA og RNA. Dette tyder på, at den samme ursuppe, under de rette betingelser, kunne have givet anledning til et stort antal af de molekyler, der er nødvendige for livets nøgleelementer.

"Det, vi vil gøre næste, er at fortsætte med at undersøge, hvilken slags kemi der kan komme ud af denne blanding," siger Krishnamurthy. "Kan aminosyrer begynde at danne små proteiner? Kunne et af disse proteiner komme tilbage og begynde at fungere som et enzym til at lave flere af disse aminosyrer?"

Foruden Krishnamurthy er forfatterne af undersøgelsen, "Prebiotic Synthesis of α-Amino Acids and Orotate from α-Ketoacids Potentiates Transition to Extant Metabolic Pathways," Sunil Pulletikurti, Mahipal Yadav og Greg Springsteen. + Udforsk yderligere

Ny rolle for cyanid i begyndelsen af ​​Jorden og søg efter udenjordisk liv