At kaste lys over syntesen af ​​sukkerarter før livets oprindelse

Pentoser er essentielle kulhydrater i metabolismen af ​​moderne livsformer, men deres tilgængelighed i begyndelsen af ​​Jorden er uklar, da disse molekyler er ustabile.

En ny undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet JACS Au og ledet af Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology, Japan, afslører en kemisk vej, der er kompatibel med tidlige jordforhold, og hvorved C6-aldonater kunne have fungeret som en kilde til pentoser uden behov for enzymer. Deres resultater giver fingerpeg om primitiv biokemi og bringer os tættere på at forstå livets oprindelse.

Fremkomsten af ​​liv på Jorden fra simple kemikalier er et af de mest spændende, men udfordrende emner inden for biokemi og måske hele videnskaben. Moderne livsformer kan omdanne næringsstoffer til alle mulige forbindelser gennem komplekse kemiske netværk; desuden kan de katalysere meget specifikke transformationer ved hjælp af enzymer og opnå en meget fin kontrol over, hvilke molekyler der produceres.

Imidlertid eksisterede enzymer ikke, før livet opstod og blev mere sofistikeret. Det er således sandsynligt, at forskellige ikke-enzymatiske kemiske netværk eksisterede på et tidligere tidspunkt i Jordens historie, som kunne omdanne miljømæssige næringsstoffer til forbindelser, der understøttede primitive cellelignende funktioner.

Syntesen af ​​pentoser er et fremtrædende eksempel på ovenstående scenarie. Disse simple sukkerarter, der kun indeholder fem kulstofatomer, er de grundlæggende byggesten i RNA og andre molekyler, der er essentielle for livet, som vi kender det. Forskere har foreslået og undersøgt forskellige måder, hvorpå pentoser kunne være blevet genereret før livets oprindelse, men nuværende teorier rejser spørgsmålet:hvordan kunne pentoser nogensinde akkumulere i mængder nok til at deltage i før-livsreaktioner, hvis disse forbindelser er ekstremt kortlivede?

For at løse dette spørgsmål gennemførte et forskerhold ledet af forsker Ruiqin Yi fra ELSI en undersøgelse for at finde en alternativ forklaring på oprindelsen og vedvarende forsyning af pentoser på den tidlige Jord. De udforskede et enzymfrit kemisk netværk, hvor C6-aldonater, som er stabile kulhydrater med seks kulhydrater, akkumuleres fra forskellige præbiotiske sukkerkilder og derefter konverteres tilbage til pentoser.

Den foreslåede kemiske vej begynder med gluconat, et stabilt C6-aldonat, der kan have været let tilgængeligt på den tidlige Jord gennem kendte præbiotiske transformationer af basiske sukkerarter. Det næste trin er den ikke-selektive oxidation af C6-aldonat til uronat; her betyder udtrykket 'ikke-selektiv', at oxidationsprocessen ikke skelner mellem de forskellige carbonatomer i aldonatstrukturen, hvilket efterlader fem mulige oxidationsresultater.

Gennem eksperimenter og teoretiske analyser dykkede forskerne dybt ned i de forskellige oxidationsprodukter for at finde ud af detaljerne i reaktionsnetværket.

Interessant nok fandt de ud af, at uanset hvor oxidationen finder sted, kan de resulterende uronatforbindelser altid gennemgå en intramolekylær transformation kendt som 'carbonyl migration', indtil den specifikke forbindelse 3-oxo-uronat er dannet. Når denne tilstand er nået, bliver 3-oxo-uronat let omdannet til pentose gennem β-decarboxylering i nærvær af H₂ O₂ og en jernholdig katalysator, som begge er kompatible med forholdene på den tidlige Jord.

Efter at have etableret og afprøvet hele dette komplekse reaktionsnetværk, bemærkede forskerne en vigtig lighed med en moderne biokemisk vej.

"Vi demonstrerede en ikke-enzymatisk syntetisk vej for sukkerarter med fem kulstofatomer, der er afhængig af kemiske transformationer, der minder om de første trin af pentosephosphat-vejen, en kernevej for metabolisme," siger hovedforfatteren Ruiqin Yi.

"Disse resultater beviser, at præbiotisk sukkersyntese kan have overlapninger med eksisterende biokemiske veje." I betragtning af at sukkerarter er allestedsnærværende i moderne metabolisme, kunne det foreslåede reaktionsnetværk have været vigtigt for fremkomsten af ​​de første livlignende systemer.

Resultaterne af denne undersøgelse er vigtige i sammenhæng med astrokemi og astrobiologi. Aldonater blev fundet rigeligt i Murchison-meteoritten, en berømt kulstofholdig meteorit, der faldt til Jorden i 1969.

I modsætning hertil var de kanoniske kulhydrater, der findes i moderne biologiske systemer, fraværende i den. Dette indebærer, at aldonater kan dannes og akkumuleres under udenjordiske forhold, og denne undersøgelse tyder på, at de kan spille en vigtig rolle i oprindelsen af ​​livets byggesten. "Vi håber, at dette arbejde vil forme den næste bølge af astrobiologi med fokus på aldonatstudier," tilføjer Yi.

I fremtidige undersøgelser vil forskerholdet fokusere på, om C6-aldonater kunne have akkumuleret nok i den tidlige jord til at fungere som 'næringsstoffer' for fremkomsten af ​​proto-metabolisme. Ledende forsker Ruiqin Yi konkluderer:"Vi ønsker at forstå mere, hvordan disse aldonater kan genereres ud fra klassiske præbiotiske sukkerreaktioner, såsom formose-reaktionen og Kiliani-Fischer-homologering."

Det er bemærkelsesværdigt, at disse klassiske præbiotiske sukkerreaktioner ikke findes i moderne stofskifte, og derfor kan den foreslåede ikke-enzymatiske vej fungere som en tiltrængt bro mellem tidlige sukkerarter og de kulhydrater, som teoretisk bruges af de første livsformer.

Flere oplysninger: Ruiqin Yi et al, Carbonyl Migration in Uronates giver en potentiel præbiotisk vej til pentoseproduktion, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00299

Leveret af Tokyo Institute of Technology