De vraag hoe het leven op aarde voor het eerst is ontstaan, is er een die mensen zich sinds mensenheugenis hebben afgevraagd. Hoewel wetenschappers er relatief zeker van zijn wanneer het is gebeurd, is er geen definitief antwoord op waarom dit is gebeurd. Hoe kwamen aminozuren, de chemische bouwstenen van het leven, ongeveer vier miljard jaar geleden samen om de eerste eiwitmoleculen te creëren?
Hoewel die vraag nog steeds niet is beantwoord, doen wetenschappers nieuwe ontdekkingen die kunnen helpen deze te beperken. Zo heeft een team van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology's Center for Chemical Evolution (CCT) onlangs een onderzoek uitgevoerd dat aantoonde hoe sommige van de vroegste voorlopers van het eiwitmolecuul spontaan zijn verbonden om een ketting te vormen.
De studie verscheen onlangs in de Proceedings van de National Academy of Sciences. De studie werd geleid door Dr. Moran Frenkel-Pinter van Georgia Tech en omvatte meerdere onderzoekers van de CCT - die wordt ondersteund door NASA en de National Science Foundation (NSF) - met de hulp van Dr. Luke Leman en assistent-professor scheikunde aan Scripps Research, een medisch onderzoeksinstituut zonder winstoogmerk.
Al tientallen jaren hebben wetenschappers theorieën over hoe de eerste aminozuren bij elkaar kwamen om eiwitmoleculen te vormen. Helaas zijn alle pogingen om deze theorieën te verifiëren tot dusver mislukt. Zoals Dr. Leman uitlegde:
'Hoe chemie tot een complex leven leidde, is een van de meest fascinerende vragen die de mensheid heeft overwogen. Er zijn veel theorieën over de oorsprong van eiwitten, maar niet zozeer experimentele laboratoriumondersteuning voor deze ideeën. '
Voor hun onderzoek voerde het onderzoeksteam een experiment uit waarbij een kleine selectie van aminozuren (lysine, arginine en histidine) samen met drie niet-biologische concurrerende aminozuren werden geplaatst. De zuren werden vervolgens onderworpen aan omstandigheden die vergelijkbaar zijn met wat wordt verondersteld op aarde te hebben bestaan tijdens de Hadean Eon (ca. 4 miljard jaar geleden).
Dit bestond uit het plaatsen van de geselecteerde aminozuren in water dat hydroxyzuren bevat, waarvan bekend is dat ze aminozuurreacties vergemakkelijken en op prebiotische aarde gebruikelijk zouden zijn geweest. Het mengsel werd vervolgens verwarmd tot 85 °C (185 °F), die het reactieproces versnelde en ervoor zorgde dat het water verdampte. De resulterende chemische reacties werden vervolgens bestudeerd.
Tot hun verbazing vormden de biologische aminozuren zich spontaan tot nette segmenten die via? -Aminegroepen met elkaar verbonden waren. Deze groepen zijn gemaakt van stikstof en waterstof en zijn behoorlijk reactief. Ze maken echter ook deel uit van de kern van aminozuren en andere amines die zijketens vormen die zich uitstrekken vanaf de kern (die in dit experiment werden gebruikt) zijn vaak reactiever. Frenkel-Pinter zei:
“Het verraste ons dat deze chemie de voorkeur gaf aan de? -Amine-verbinding die in eiwitten wordt aangetroffen, hoewel chemische principes ons misschien hebben doen geloven dat de niet-eiwitverbinding de voorkeur zou hebben. De voorkeur voor de eiwitachtige koppeling boven niet-eiwit was ongeveer zeven op één. '
Een andere verrassing was het feit dat de biologische aminozuren de niet-biologische verslaan in termen van reactiviteit. De laatste zuren, die tegenwoordig niet in eiwitten voorkomen, hadden het potentieel om net zo goed (of beter dan) de biologische te reageren. Bovendien verwachtte het team dat de opname van deze zuren de biologische een vlucht voor hun geld zou geven en zelfs zou kunnen leiden tot de c
De reacties resulteerden echter voornamelijk in de vorming van peptiden (twee of meer aan elkaar gekoppelde aminozuurbouwstenen) die dichter bij de huidige eiwitten stonden. In het bijzonder dachten de onderzoekers dat de niet-biologische aminozuren het biologische aminozuur lysine zouden overtreffen en dat lysine geen betrouwbare ketens zou kunnen vormen.
In beide gevallen hadden ze het mis en ontdekten ze dat de lysine voornamelijk in de ketens terechtkwam op een manier die vergelijkbaar is met wat er tegenwoordig met eiwitten gebeurt. Hieruit veronderstelde het team dat geprefabriceerde aminozuurketens die nuttig zijn in levende systemen, evolueerden voordat het leven een manier had gevonden om eiwitten te maken.
Het feit dat hun experiment aantoonde dat biologische aminozuren de voorkeur hebben boven niet-biologische, kan ook nieuw inzicht bieden in waarom slechts 20 aminozuren in de vorming van leven zijn terechtgekomen. Wetenschappers geloven dat er tijdens de Hadean Eon meer dan 500 van nature voorkomende zuren op aarde aanwezig waren. Zoals Loren Williams, een professor in de biochemie aan Georgia Tech, uitlegt
"Ons idee is dat het leven begon met de vele bouwstenen die er waren en een subset daarvan selecteerde, maar we weten niet hoeveel er is geselecteerd op basis van pure chemie of hoeveel biologische processen de selectie hebben gedaan. Als we naar deze studie kijken, lijkt het erop dat de biologie van vandaag deze vroege prebiotische chemische reacties meer weerspiegelt dan we hadden gedacht. "
'In de prebiotische aarde zou er een veel grotere reeks aminozuren zijn geweest. Is er iets speciaals aan deze 20 aminozuren, of zijn ze door evolutie op een bepaald moment bevroren? ' Kortom, het experiment suggereert dat de soorten aminozuren die in eiwitten worden gebruikt, eerder aan elkaar worden gekoppeld omdat ze efficiënter op elkaar reageren en weinig inefficiënte nevenreacties hebben.
Kortom, het experiment suggereert dat de soorten aminozuren die in eiwitten worden gebruikt, eerder aan elkaar worden gekoppeld omdat ze efficiënter op elkaar reageren en weinig inefficiënte nevenreacties hebben. Het geeft ook extra geloofwaardigheid aan de theorie dat de meeste biologische polymeren zijn gevormd in natte en droge cycli, iets wat CCT-onderzoekers hebben
Deze theorie, die stelt dat de eerste eiwitten voorkwamen op door regen geveegde zandplaten of zonovergoten rotsen aan het meer, staat haaks op het meer conventionele verhaal dat de bouwstenen van het leven afhankelijk zijn van zeldzame en catastrofale gebeurtenissen, evenals van meerdere ingrediënten in om tevoorschijn te komen. Door aan te tonen dat het waarschijnlijk een veel eenvoudiger proces zou zijn, zou dit onderzoek ons een stap dichter bij het ontsluiten van dit eeuwenoude mysterie kunnen brengen.
Het kan ook gevolgen hebben bij het zoeken naar leven buiten de aarde. Als de bouwstenen van het leven van nature reactief zijn en door elkaar worden aangetrokken, vergroot dat waarschijnlijk de kans dat soortgelijke chemische reacties elders in het heelal hebben plaatsgevonden!
