Chemici van het Scripps Research Institute (TSRI) hebben een verbinding gevonden die mogelijk een cruciale factor is geweest in het ontstaan ​​van het leven op aarde.

Origins-of-life-onderzoekers hebben de hypothese geopperd dat een chemische reactie, fosforylering genaamd, cruciaal kan zijn geweest voor de assemblage van drie belangrijke ingrediënten in vroege levensvormen:korte strengen nucleotiden om genetische informatie op te slaan, korte ketens van aminozuren (peptiden) om het belangrijkste werk van cellen te doen, en lipiden om inkapselingsstructuren zoals celwanden te vormen. Nog, niemand heeft ooit een fosforyleringsmiddel gevonden dat aannemelijk aanwezig was op de vroege aarde en dat deze drie klassen moleculen naast elkaar had kunnen produceren onder dezelfde realistische omstandigheden.

TSRI-chemici hebben nu precies zo'n verbinding geïdentificeerd:diamidofosfaat (DAP).

"We stellen een fosforyleringschemie voor die zou kunnen hebben geleid tot, allemaal op dezelfde plek, aan oligonucleotiden, oligopeptiden, en de celachtige structuren om ze te omsluiten, " zei senior auteur Ramanarayanan Krishnamurthy, universitair hoofddocent scheikunde bij TSRI. "Dat zou op zijn beurt andere chemie mogelijk hebben gemaakt die voorheen niet mogelijk was, mogelijk leidend tot de eerste eenvoudige, op cellen gebaseerde levende wezens."

De studie, vandaag gemeld in Natuurchemie , maakt deel uit van een voortdurende inspanning van wetenschappers over de hele wereld om plausibele routes te vinden voor de epische reis van pre-biologische chemie naar celgebaseerde biochemie.

Andere onderzoekers hebben chemische reacties beschreven die de fosforylering van pre-biologische moleculen op de vroege aarde mogelijk hebben gemaakt. Maar deze scenario's hadden betrekking op verschillende fosforylerende middelen voor verschillende soorten moleculen, evenals verschillende en vaak ongebruikelijke reactieomgevingen.

"Het was moeilijk voor te stellen hoe deze zeer verschillende processen op dezelfde plaats hadden kunnen combineren om de eerste primitieve levensvormen voort te brengen, ' zei Krishnamurthy.

Hij en zijn team, waaronder co-eerste auteurs Clémentine Gibard, Subhendu Bhowmik, en Megha Karki, alle postdoctorale onderzoeksmedewerkers bij TSRI, toonde eerst aan dat DAP elk van de vier nucleoside-bouwstenen van RNA in water of een pasta-achtige toestand kon fosforyleren onder een breed scala aan temperaturen en andere omstandigheden.

Met de toevoeging van de katalysator imidazool, een eenvoudige organische verbinding die zelf aannemelijk aanwezig was op de vroege aarde, De activiteit van DAP leidde ook tot het ontstaan ​​van korte, RNA-achtige ketens van deze gefosforyleerde bouwstenen.

Bovendien, DAP met water en imidazool fosforyleerde efficiënt de lipide-bouwstenen glycerol en vetzuren, wat leidt tot de zelfassemblage van kleine fosfo-lipide-capsules die blaasjes worden genoemd - primitieve versies van cellen.

DAP in water bij kamertemperatuur fosforyleerde ook de aminozuren glycine, asparaginezuur en glutaminezuur, en hielp vervolgens deze moleculen te koppelen tot korte peptideketens (peptiden zijn kleinere versies van eiwitten).

"Met DAP en water en deze milde omstandigheden, je kunt ervoor zorgen dat deze drie belangrijke klassen van pre-biologische moleculen samenkomen en worden getransformeerd, hen de kans geven om met elkaar in contact te komen, ' zei Krishnamurthy.

Krishnamurthy en zijn collega's hebben eerder aangetoond dat DAP een verscheidenheid aan eenvoudige suikers efficiënt kan fosforyleren en zo kan helpen bij de constructie van fosforbevattende koolhydraten die betrokken zouden zijn geweest bij vroege levensvormen. Hun nieuwe werk suggereert dat DAP een veel centralere rol had kunnen spelen bij het ontstaan ​​van het leven.

"Het doet me denken aan de Fairy Godmother in Assepoester, die met een toverstok zwaait en 'poef, ' 'poef, ' 'poef, ' alles wat eenvoudig is wordt omgezet in iets complexer en interessanter, ' zei Krishnamurthy.

Het belang van DAP voor het op gang brengen van het leven op aarde kan enkele miljarden jaren later moeilijk te bewijzen zijn. Krishnamurthy merkte op, Hoewel, dat de belangrijkste aspecten van de chemie van het molecuul nog steeds worden gevonden in de moderne biologie.

"DAP fosforyleert via dezelfde fosfor-stikstofbindingsbreuk en onder dezelfde omstandigheden als proteïnekinasen, die alomtegenwoordig zijn in de huidige levensvormen, " zei hij. "DAP's fosforylatiechemie lijkt ook sterk op wat wordt gezien in de reacties in het hart van de metabole cyclus van elke cel."

Krishnamurthy is nu van plan deze aanwijzingen te volgen, en hij heeft ook samengewerkt met vroege aardse geochemici om te proberen potentiële bronnen van DAP te identificeren, of soortgelijk werkende fosfor-stikstofverbindingen, die op de planeet waren voordat het leven ontstond.

"Er kunnen mineralen op de vroege aarde zijn geweest die dergelijke fosfor-stikstofverbindingen onder de juiste omstandigheden hebben vrijgegeven, " zei hij. "Astronomen hebben bewijs gevonden voor fosfor-stikstofverbindingen in het gas en stof van de interstellaire ruimte, dus het is zeker aannemelijk dat dergelijke verbindingen op de vroege aarde aanwezig waren en een rol speelden bij het ontstaan ​​van de complexe moleculen van het leven."