De oersoep die miljarden jaren geleden klotste, en leidde uiteindelijk tot het eerste leven op onze planeet, misschien wemelt het van de oervoorlopers van eiwitten.

Voorouders van de eerste eiwitmoleculen, die de belangrijkste componenten zijn van alle cellen, overvloedig had kunnen zijn op de aarde vóór het leven, volgens een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, die honderden mogelijke voorlopermoleculen in het laboratorium vormden. Daarna analyseerden ze de moleculen minutieus met de nieuwste technologie en nieuwe algoritmen.

Ze ontdekten dat de moleculen, depsipeptiden genoemd, snel en overvloedig gevormd onder omstandigheden die gebruikelijk waren op prebiotische aarde, en met ingrediënten die waarschijnlijk overvloedig zouden zijn geweest.

En sommige van de depsipeptiden evolueerden in slechts een paar dagen tot nieuwe variëteiten, een vermogen dat, eeuwen geleden, de geboorte van lange moleculen had kunnen versnellen, peptiden genoemd, waaruit eiwitten bestaan.

Zonder ramp, Alsjeblieft

Het nieuwe, aan de NASA gelieerde onderzoek draagt ​​bij aan een groeiend aantal bewijzen dat suggereert dat de eerste polymeren van het leven mogelijk zijn ontstaan ​​in variaties van dagelijkse processen die vandaag de dag nog steeds op aarde worden waargenomen, zoals het herhaaldelijk drogen en bijvullen van vijverwater. Ze zijn misschien niet allemaal tot bestaan ​​gekomen als gevolg van laaiende rampen, een beeld dat vaak wordt geassocieerd met de creatie van de eerste chemicaliën van het leven.

"We willen wegblijven van scenario's die niet direct mogelijk zijn, " zei Facundo Fernández, een professor in Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry, en een van de hoofdonderzoekers van de studie. "Wijk niet af van omstandigheden die realistisch en redelijk gebruikelijk zouden zijn geweest op prebiotische aarde. Roep geen onredelijke chemie op."

Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd hoe de allereerste eiwitten werden gevormd. Hun langketenige moleculen, polypeptiden, kan moeilijk te maken zijn in het laboratorium onder abiotische omstandigheden.

Sommige onderzoekers hebben gezwoegd om kleine kettingen te bouwen, of peptiden, soms onder extremere scenario's die waarschijnlijk minder vaak voorkwamen op de vroege aarde. De opbrengsten waren bescheiden, en de resulterende peptiden hebben slechts een paar samenstellende delen gehad, terwijl natuurlijke eiwitten er een grote verscheidenheid aan hebben.

Stapsgewijze evolutie

Maar complexe levensmoleculen zijn waarschijnlijk niet ontstaan ​​in één dramatische stap die eindproducten produceerde. Dat is de hypothese die ten grondslag ligt aan het onderzoek van Fernández en zijn collega's van het NSF/NASA Centrum voor Chemische Evolutie, met het hoofdkantoor in Georgia Tech en gebaseerd op nauwe samenwerking met het Scripps Research Institute.

In plaats daarvan, meerdere eenvoudigere chemische stappen produceerden overvloedige tussenproducten die bruikbaar waren in daaropvolgende reacties die uiteindelijk leidden tot de eerste biopolymeren. De depsipeptiden die in dit laatste onderzoek zijn geproduceerd, hadden als zo'n chemische opstap kunnen dienen.

Ze lijken veel op gewone peptiden en zijn tegenwoordig te vinden in biologische systemen. "Veel antibiotica, bijvoorbeeld, zijn depsipeptiden, ' zei Fernandez.

Fernandez, zijn Georgia Tech-collega's Martha Grover en Nicholas Hud, en Ram Krishnamurthy van Scripps publiceerden hun studie op 28 augustus, 2017, in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences . Eerste auteur Jay Forsythe, voorheen een postdoctoraal onderzoeker bij Georgia Tech, is nu een assistent-professor aan het College van Charleston. Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation en het NASA Astrobiology Program.

De nieuwe studie sluit aan bij vergelijkbaar werk over de vorming van RNA-precursoren op prebiotische aarde, en over mogelijke scenario's voor de vorming van de eerste genen. De collectieve inzichten kunnen op een dag helpen verklaren hoe het eerste leven op aarde ontstond en ook astrobiologen helpen bij het bepalen van de waarschijnlijkheid van leven op andere planeten.

Depsipeptide Lego begrijpen

Om depsipeptiden en de betekenis van de resultaten van de onderzoekers te begrijpen, het is handig om te beginnen met kijken naar peptiden, dat zijn ketens van aminozuren. Als de ketens erg lang worden, worden ze polypeptiden genoemd. en dan eiwitten.

Levende cellen hebben machines die instructies in DNA lezen over hoe aminozuren in een specifieke volgorde moeten worden gekoppeld om zeer specifieke peptiden en eiwitten te bouwen die functies hebben in een levende cel. Om een ​​eiwit in een cel te laten functioneren, zijn polypeptideketens moeten samenklonteren als kleverig garen om bruikbare vormen te vormen.

Voordat cellen en DNA bestonden op een aarde zonder leven, voor de vorming van polypeptiden, aminozuren moesten op de een of andere manier samensmelten in plassen of op de oevers van rivieren of meren om kettingen te vormen. Maar peptidebindingen kunnen moeilijk te vormen zijn, vooral lange ketens van hen.

Amino insteek dubbel

andere obligaties, esterbindingen genoemd, gemakkelijker vormen, en ze kunnen aminozuren koppelen aan zeer vergelijkbare moleculen die hydroxyzuren worden genoemd. Hydroxyzuren lijken zoveel op aminozuren dat ze kunnen, in sommige gevallen, fungeren als hun stand-in doubles.

De onderzoekers mengden drie aminozuren met drie hydroxyzuren in een wateroplossing en vormden depsipeptiden, ketens van aminozuren en hydroxyzuren die bij elkaar worden gehouden door intermitterende ester- en peptidebindingen. De hydroxyzuren waren een middel om de ketens samen te voegen die anders moeilijk te vormen zouden zijn geweest.

De oersoep kan zijn depsipeptiden op rotsen hebben gelept, waar ze verdroogden in de zon, dan loste regen of dauw ze weer op in de soep, en dat gebeurde keer op keer. De onderzoekers bootsten deze cyclus na in het laboratorium en keken toe hoe de depsipeptideketens zich verder ontwikkelden.

Death Valley hitte

"We noemen het een milieucyclische benadering om deze vroege peptiden te maken, " zei Fernandez, wie is Vasser Woolley Foundation Chair in Bioanalytical Chemistry. Zoals de natuur:maak de soep, droog het uit, herhalen.

In het labortorium, de droogtemperatuur was 85 graden Celsius (185 graden Fahrenheit), hoewel is aangetoond dat de reactie werkt bij temperaturen van 55 en 65 graden Celsius (131 tot 149 graden Fahrenheit). "Als je denkt aan de vroege aarde met veel vulkanische activiteit en een atmosferische mix die de opwarming bevorderde, die temperaturen zijn realistisch op veel delen van een vroege aarde, ' zei Fernandez.

De vroege aarde had honderden miljoenen jaren nodig om af te koelen, en er wordt verondersteld dat temperaturen in de honderden graden al lange tijd gemeengoed zijn. Zelfs vandaag, de heetste woestijnen kunnen meer dan 55 graden Celsius bereiken.

Ester doe-si-do

Omdat esterbindingen gemakkelijker breken, bij het experiment, de ketens hadden de neiging om meer uit elkaar te vallen bij de hydroxyzuren en bij elkaar te blijven tussen de aminozuren, die waren verbonden door de sterkere peptidebindingen. Als resultaat, ketens kunnen zich opnieuw vormen en steeds meer aminozuren met elkaar verbinden tot stevigere peptiden.

In een soort squaredans, de stand-in hydroxyzuren lieten vaak hun aminozuurpartners in de keten achter, en nieuwe aminozuren die op hun plaats aan de ketting zijn vastgemaakt, waar ze zich stevig vasthielden. In feite, een aantal van de depsipeptiden bestond uiteindelijk bijna volledig uit aminozuren en had alleen resten van hydroxyzuren.

"Nu weten we hoe peptiden zich gemakkelijk kunnen vormen, " zei Fernández. "Vervolgens, we willen weten wat er nodig is om op het niveau van een functioneel eiwit te komen."

10, 000, 000, 000, 000 depsipeptiden

Om de meer dan 650 gevormde depsipeptiden te identificeren, de onderzoekers gebruikten massaspectrometrie in combinatie met ionenmobiliteit, die zou kunnen worden omschreven als een windtunnel voor moleculen. Samen met massa, de extra mobiliteitsmeting gaf de onderzoekers gegevens over de vorm van de depsipeptiden.

Algoritmes gemaakt door Georgia Tech-onderzoeker Anton Petrov verwerkten de gegevens om uiteindelijk de moleculen te identificeren.

Om te illustreren hoe potentieel overvloedige depsipeptiden op prebiotische aarde hadden kunnen zijn:de onderzoekers moesten het aantal aminozuren en hydroxyzuren tot drie per stuk beperken. Hadden ze er elk 10 genomen, het aantal theoretische depsipeptiden had meer dan 10 kunnen zijn, 000, 000, 000, 000.

"Gemak en premie zijn de sleutelwoorden, " Fernández zei. "De kans op chemische evolutie is groter wanneer de componenten die het nodig heeft in overvloed aanwezig zijn en onder meer gewone omstandigheden kunnen samenkomen."