Net als de mythische scheppingsverhalen die de vorming van de wereld verbeelden als het verhaal van orde vanuit chaos, de vroege aarde was de thuisbasis van een chaotische warboel van organische moleculen waaruit, op de een of andere manier, meer complexe biologische structuren zoals RNA en DNA ontstonden.

Er was geen leidende hand om te dicteren hoe de moleculen in die prebiotische rommel zouden moeten interageren om leven te vormen. Nog, hadden die moleculen toen gewoon willekeurig interactie gehad, naar alle waarschijnlijkheid, dat ze nooit de juiste interacties zouden hebben gevonden om uiteindelijk tot leven te leiden.

"De vraag is, van alle willekeurige mogelijkheden, zijn er regels die deze interacties regelen?" vraagt ​​Ramanarayanan Krishnamurthy, een organisch chemicus aan het Scripps Research Institute in Californië.

Deze regels zouden selectief zijn, onvermijdelijk leidend tot de juiste interacties voor het samenstellen van de bouwstenen van het leven. Om de geheimen van deze regels te ontrafelen en hoe de prebiotische rommel overging naar de biologisch geordende wereld van het leven, Krishnamurthy gebruikt een discipline genaamd "systeemchemie, " en publiceerde een paper over het onderwerp in het tijdschrift Rekeningen van chemisch onderzoek dat onderzoekt deze relatief nieuwe manier om te begrijpen hoe leven uit niet-leven is voortgekomen.

Nobelprijswinnaar en geneticus Jack Szostak van de Harvard Medical School beschrijft systeemchemie als:"een van de nieuwe manieren om te denken over de problemen van prebiotische chemie." Om te begrijpen hoe systeemchemie werkt, denk aan een kolf vol met chemische stof A, waaraan een andere chemische stof, B, wordt toegevoegd en die reageert met A om nog twee chemicaliën te produceren, C en D. Aangezien geen enkel proces 100 procent efficiënt is, de kolf bevat nu chemicaliën A, B, C en D. "Dus nu heb je een systeem, " legt Krishnamurthy uit. Systeemchemie beschouwt het systeem als een geheel en onderzoekt de regels binnen dat systeem die bepalen hoe elke chemische stof in wisselwerking staat met de andere, en in verschillende omstandigheden.

Nog, systeemchemie gaat over meer dan alleen omgaan met systemen die veel chemicaliën bevatten, zegt Szostak. "Het is een kwestie van nadenken over welke chemicaliën of omstandigheden waarschijnlijk beschikbaar zullen zijn en waarschijnlijk nuttig zullen zijn." Hij noemt het voorbeeld van fosfaat, die automatisch aanwezig is in biochemische systemen vanwege zijn aanwezigheid in de nucleotide-bouwstenen van de biologie, en is daarom aanwezig om meerdere rollen te spelen in het verhaal van het leven, zoals het werken als een katalysator en het beschermen van cellen tegen pH-veranderingen.

Natuurlijk, het ontrafelen van de chemie van de prebiotische rommel staat ver af van het verklaren van de interacties van vier chemicaliën in een kolf. De reken- en analytische kracht die nodig was om zo'n complex systeem te simuleren, was slechts een decennium of twee geleden onbereikbaar. In plaats daarvan, het merendeel van het onderzoek naar de oorsprong van het leven was voorheen gericht op individuele klassen van biomoleculen, de meest veelbelovende is RNA (ribonucleïnezuur).

Een kip en ei scenario

De RNA-wereldtheorie, wat het idee is dat RNA bestond voordat cellen dat deden, geconfronteerd met een paradox. RNA maakt eiwitten, maar eiwitten vormen ook RNA. "Biologen namen de moderne biologie en renden om spaarzaamheid achteruit, maar toen liepen ze tegen het probleem aan van wat er eerst was, eiwitten of RNA?" zegt Krishnamurthy

Toen Thomas Cech van de Universiteit van Colorado in 1981 ontdekte dat RNA reacties in zichzelf kan katalyseren, het probleem leek te zijn opgelost. Overnachting, Het belang van RNA voor het leven werd getransformeerd. Door katalytisch te zijn, RNA kon andere biochemie, waaronder de vorming van eiwitten, een kickstart geven en moest daarom op de eerste plaats komen. De daaropvolgende ontdekking dat het het RNA-molecuul in een ribosoom is dat verantwoordelijk is voor de eiwitsynthese, gaf de hypothese van de "RNA-wereld" nog meer geloofwaardigheid.

De RNA-wereld heeft, echter, kreeg de laatste tijd veel kritiek, waarvan Krishnamurthy gelooft dat het verdiend is. RNA is in staat om genetische informatie in organismen over te dragen en is gemaakt van ketens van ribonucleotiden. Maar er is een addertje onder het gras.

"Nucleotiden komen niet alleen uit chemische mengsels, ze moeten op een zeer gedefinieerde manier worden gemaakt, " zegt hij. "Er moet een bepaalde volgorde zijn in de reactievolgorde. Het is niet zoals Stanley Miller's vonkontladingsexperiment waarbij hij al deze gassen bij elkaar bracht, drukte op een schakelaar en 'Voila!'"

Systeemchemie beschrijft de ontwikkeling van RNA als een keten van gebeurtenissen die wordt aangedreven door selectieve interacties en katalyse. Ribonucleotiden worden gevormd uit ribonucleosiden gekoppeld aan fosfaat. Een nucleoside bestaat uit een nucleobase, wat een stikstofhoudende verbinding is, gebonden aan een monosacharide, dat is een suiker met vijf koolstofatomen, pentossen genoemd. Onder de populatie van monosachariden bevinden zich vier pentosen, onder hen ribose, die op de een of andere manier selectief wordt omgezet in ribonucleoside in plaats van de andere drie pentosen.

Hoewel Szostak het ermee eens is dat systeemchemie de kracht heeft om de RNA-wereldtheorie te ondersteunen, of op zijn minst de oorsprong van RNA verklaren, hij wijst erop dat er onevenredig veel werk is verzet om te begrijpen hoe nucleotiden worden gevormd, en niet genoeg in wat er daarna gebeurt. "Er ontbreken nog steeds stappen om te begrijpen hoe RNA kan worden gemaakt, "zegt hij. Dus, de uitdaging voor systeemchemie is nu om te laten zien hoe en waarom elk van deze fasen plaatsvindt.

"Alleen het synthetiseren van een monomeer van RNA zoals een nucleoside of een nucleotide is niet genoeg om te zeggen dat je de oorsprong van RNA hebt gevonden, " zegt Krishnamurthy. "Hoe breng je die monomeren samen op een zinvolle manier die zelfvoorzienend is?"

Het selectie-effect kan plaatsvinden op een groot aantal niveaus bij de aanmaak van RNA. Misschien bepalen de selectieregels waarom ribose, in plaats van de andere drie pentosen - xylose, lyxose of arabinose - wordt omgezet in de nucleosiden die door RNA worden gebruikt. Misschien komt het selectie-effect wanneer wordt uitgelegd waarom fosfaat zich liever bindt met ribonucleosiden, in plaats van andere nucleosiden. Of, mogelijk zijn het de ribonucleotiden zelf die worden geselecteerd omdat ze efficiënter zijn dan andere nucleotiden bij het vormen van ketens. We weten nog niet wat het antwoord is, maar Krishnamurthy gelooft dat systeemchemie het beste middel is om daar achter te komen.

Selectie-effecten

We vinden selectieregels die interacties in de chemie stimuleren als gevolg van omgevingscondities; of opkomende eigenschappen zoals katalytische activiteit, zelfassemblage en zelfreplicatie; of zelfs als gevolg van de specifieke kenmerken van chemische reacties.

Cyanide, bijvoorbeeld, neemt de vorm aan van niet-toxische nitrillen in de biochemie, verbinden met op koolstof gebaseerde moleculen om complexere organische moleculen te vormen. Het is ook een vrij handige reactant. Voeg cyanide toe aan twee specifieke organische verbindingen die keton en carbonzuur bevatten, ketozuren en keto-alcoholen genoemd, en het produceert cyanohydrines die belangrijke voorlopers zijn van sommige aminozuren. Echter, in water kunnen cyanohydrines hydrolyse ondergaan en afbreken, maar of ze dat wel of niet doen, hangt af van de pH van dat water. In een paper gepubliceerd in Chemie:een Europees tijdschrift , Krishnamurthy, Scripps-collega Jayasudhan Yerabolu, en de scheikundige Charles Liotta van het Georgia Institute of Technology ontdekte dat hydrolyse plaatsvindt bij een pH van minder dan 7 voor cyanohydrines gevormd uit ketozuren, en een pH groter dan 7 voor uit ketoalcoholen gevormde cyaanhydrinen. Daarom, de overleving op langere termijn van cyanohydrines is selectief afhankelijk van de zuurgraad of alkaliteit van de omgeving.

Een ander voorbeeld dat cyanide-reactiviteit omvat, omvat moleculen van oxaalacetaat en alfa-ketoglutaraat, die een rol spelen in de citroenzuurcyclus (een reeks energie-afgevende chemische reacties die worden gebruikt door zuurstof-ademend leven). In aanwezigheid van cyanide, oxaalacetaat wordt selectief getransformeerd in plaats van alfa-ketoglutaraat, om een ​​hydroxybarnsteenzuurderivaat te vormen.

"In een mengsel waar je zowel oxaalacetaat als alfa-ketoglutaraat kunt vinden, door cyanide toe te voegen, kun je de ene wel selectief transformeren, maar de andere niet, ' zegt Krishnamurthy.

Deze voorbeelden demonstreren wat Krishnamurthy beschrijft als de overgang van heterogene heterogeniteit (diverse interacties in een systeem van vele moleculen) naar homogene heterogeniteit (selecteren uit diverse interacties tussen relatief weinig moleculen die de ruggengraat vormen van de systemen van het leven, zoals RNA). Met andere woorden, het is de opkomst uit de prebiotische rommel van een geordende proto-biochemie.

"De oplossing lijkt te zijn om van het heterogene mengsel over te gaan naar wat ik de homogene heterogeniteit noem, "zegt Krishnamurthy. "Dit is wat ons lab probeert aan te tonen als een bewijs van principe."

Er is nog een lange weg te gaan en Krishnamurthy beveelt aan om vooruitgang het beste te boeken met kleine stapjes, aangezien wetenschappers deze bottom-up benadering van de oorsprong van het leven ontwikkelen vanuit de heterogene prebiotische rommel. Door reacties en katalyse te ontdekken die de juiste interacties tussen organische verbindingen selecteren, het doel is om ons begrip op te bouwen van hoe de basisbouwstenen zijn samengesteld - hoe, bijvoorbeeld, RNA kwam tevoorschijn uit de chaos.

Uiteindelijk is de wens om een ​​experimentele simulatie te bouwen die de volledige heterogene heterogeniteit van de prebiotische rommel omvat in een replica van de vroege omgeving van de aarde, en dan die simulatie keer op keer uit te voeren om te zien welke selectieve interacties het meest voorkomen en of ze de oorsprong van het leven kunnen herhalen.

"Ik ben optimistisch dat we in staat zullen zijn om redelijke wegen te vinden om alle bouwstenen van de biologie te maken, en voor het samenstellen van deze componenten tot eenvoudige, primitieve cellen, ", zegt Szostak. "Echter, er moet nog veel worden geleerd voordat we dit ambitieuze doel kunnen bereiken."

Net als de kolf die uiteindelijk chemicaliën A bevatte, B, C en D, de eindproducten van deze selectieve reacties kunnen gaan interageren met hun bronchemicaliën, iets dat niet gebeurt in de schone, geïsoleerde RNA-wereld die in het laboratorium wordt bestudeerd. Welke nieuwe en eerder over het hoofd geziene oplossingen wachten om ontdekt te worden en hoe snel zullen de babystapjes ons daarheen brengen?

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.