Skabte denne kemiske reaktion byggestenene til livet på Jorden?

Hvordan begyndte livet? Hvordan skabte kemiske reaktioner på den tidlige Jord komplekse, selvreplikerende strukturer, der udviklede sig til levende ting, som vi kender dem?

Ifølge en tankegang var der før den nuværende æra af DNA-baseret liv en slags molekyle kaldet RNA (eller ribonukleinsyre).

RNA – som stadig er en afgørende bestanddel af livet i dag – kan replikere sig selv og katalysere andre kemiske reaktioner.

Men RNA-molekyler selv er lavet af mindre komponenter kaldet ribonukleotider. Hvordan ville disse byggeklodser være dannet på den tidlige Jord og derefter kombineret til RNA?

Kemikere som mig forsøger at genskabe den kæde af reaktioner, der kræves for at danne RNA i livets morgen, men det er en udfordrende opgave. Vi ved, at uanset hvilken kemisk reaktion, der er skabt af ribonukleotider, må have været i stand til at ske i det rodede, komplicerede miljø, der blev fundet på vores planet for milliarder af år siden.

Jeg har undersøgt, om "autokatalytiske" reaktioner kan have spillet en rolle. Disse er reaktioner, der producerer kemikalier, der tilskynder den samme reaktion til at ske igen, hvilket betyder, at de kan opretholde sig selv under en lang række omstændigheder.

I vores seneste arbejde offentliggjort i Chemical Science , har mine kolleger og jeg integreret autokatalyse i en velkendt kemisk vej til fremstilling af ribonukleotidbyggestenene, hvilket sandsynligt kunne være sket med de simple molekyler og komplekse forhold, der fandtes på den tidlige Jord.

Formose-reaktionen

Autokatalytiske reaktioner spiller afgørende roller i biologien, lige fra at regulere vores hjerteslag til at danne mønstre på muslingeskaller. Faktisk er replikationen af ​​selve livet, hvor en celle optager næringsstoffer og energi fra omgivelserne for at producere to celler, et særligt kompliceret eksempel på autokatalyse.

En kemisk reaktion kaldet formose-reaktionen, først opdaget i 1861, er et af de bedste eksempler på en autokatalytisk reaktion, der kunne være sket på den tidlige Jord.

I det væsentlige starter formose-reaktionen med et molekyle af en simpel forbindelse kaldet glycolaldehyd (lavet af brint, kulstof og oxygen) og slutter med to. Mekanismen er afhængig af en konstant forsyning af en anden simpel forbindelse kaldet formaldehyd.

En reaktion mellem glycolaldehyd og formaldehyd laver et større molekyle, der spalter fragmenter, der går tilbage til reaktionen og holder den i gang. Men når formaldehydet løber tør, stopper reaktionen, og produkterne begynder at nedbrydes fra komplekse sukkermolekyler til tjære.

Formose-reaktionen deler nogle almindelige ingredienser med en velkendt kemisk vej til fremstilling af ribonukleotider, kendt som Powner-Sutherland-vejen. Men indtil nu har ingen forsøgt at forbinde de to – med god grund.

Formose-reaktionen er berygtet for at være "uselektiv." Det betyder, at den producerer en masse ubrugelige molekyler ved siden af ​​de faktiske produkter, du ønsker.

En autokatalytisk drejning i vejen til ribonukleotider

I vores undersøgelse forsøgte vi at tilføje et andet simpelt molekyle kaldet cyanamid til formose-reaktionen. Dette gør det muligt for nogle af de molekyler, der dannes under reaktionen, at blive "suget af" for at producere ribonukleotider.

Reaktionen producerer stadig ikke en stor mængde ribonukleotidbyggesten. Men dem, det producerer, er mere stabile og mindre tilbøjelige til at blive nedbrudt.

Det interessante ved vores undersøgelse er integrationen af ​​formose-reaktionen og ribonukleotidproduktion. Tidligere undersøgelser har studeret hver enkelt separat, hvilket afspejler, hvordan kemikere normalt tænker på at lave molekyler.

Generelt har kemikere en tendens til at undgå kompleksitet for at maksimere mængden og renheden af ​​et produkt. Denne reduktionistiske tilgang kan imidlertid forhindre os i at undersøge dynamiske interaktioner mellem forskellige kemiske veje.

Disse interaktioner, som sker overalt i den virkelige verden uden for laboratoriet, er uden tvivl broen mellem kemi og biologi.

Industrielle applikationer

Autokatalyse har også industrielle anvendelser. Når du tilføjer cyanamid til formose-reaktionen, er et andet af produkterne en forbindelse kaldet 2-aminooxazol, som bruges i kemiforskning og produktion af mange lægemidler.

Konventionel 2-aminooxazolproduktion bruger ofte cyanamid og glycolaldehyd, hvoraf sidstnævnte er dyrt. Hvis det kan laves ved hjælp af formose-reaktionen, er det kun nødvendigt med en lille mængde glycolaldehyd for at kickstarte reaktionen, hvilket reducerer omkostningerne.

Vores laboratorium optimerer i øjeblikket denne procedure i håbet om, at vi kan manipulere den autokatalytiske reaktion for at gøre almindelige kemiske reaktioner billigere og mere effektive og deres farmaceutiske produkter mere tilgængelige. Måske vil det ikke være lige så stor en sag som selve skabelsen af ​​livet, men vi tror, ​​at det stadig kunne være umagen værd.

Flere oplysninger: Quoc Phuong Tran et al., Mod en præbiotisk kemoton—nukleotidprækursorsyntese drevet af den autokatalytiske formose-reaktion, Kemisk Videnskab (2023). DOI:10.1039/D3SC03185C

Journaloplysninger: Kemisk videnskab

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.