Onderzoekers in Straatsburg, Frankrijk, hebben ontdekt dat het mengen van twee kleine biomoleculen, glyoxylaat en pyruvaat, in ijzerzoutrijk water produceert een reactienetwerk dat lijkt op de kernbiochemie van het leven. Deze ontdekking geeft inzicht in hoe de chemie op de vroege aarde de evolutie van het oudste leven heeft voorbereid. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Wetenschappers die de oorsprong van het leven op aarde onderzoeken, hebben lang geworsteld om uit te leggen hoe de biochemie van het leven meer dan 4 miljard jaar geleden begon. Biochemie is georganiseerd rond slechts vijf universele metabole voorlopers opgebouwd uit C, O en H - net zoals het zware verkeer in een grote metropool is georganiseerd rond een paar transitknooppunten. Waarom het leven de moleculen en chemische reacties gebruikt die het doet, tussen talloze alternatieven, is een compleet mysterie.

Een groep onderzoekers onder leiding van prof. Joseph Moran aan de Universiteit van Straatsburg heeft de afgelopen jaren gewerkt aan de oorsprong van het biologische metabolisme. "Het idee dat biologisch metabolisme een nauw verwante chemische voorloper had die vergelijkbare tussenproducten en transformaties gebruikte, is een aantrekkelijke optie, " zegt Moran. Onlangs, de groep creëerde een puur chemisch equivalent van de AcCoA-route, een reeks reacties die door microben worden gebruikt om acetaat (twee koolstoffen) en pyruvaat (drie koolstoffen) te produceren uit CO ₂ . Bouwstoffen groter dan drie koolstoffen uit bouwstenen gemaakt van CO ₂ was waar de vooruitgang tot stilstand kwam. Om zulke prestaties te bereiken, het leven is afhankelijk van complexe enzymen en een chemische energiedrager, ATP. Maar zowel enzymen als ATP zijn complexe structuren die op een levenloze aarde niet hadden kunnen bestaan. Hoe bouwde het leven dan zijn biochemie op vóór enzymen en ATP?

Moran legt uit:"De doorbraak kwam van het besef dat een chemisch metabolisme misschien op een iets andere manier heeft gefunctioneerd dan hoe het tegenwoordig in het leven werkt, met behoud van het grote geheel." Het team raakte geïnspireerd door de centrale rol van een metaboliet met twee koolstofatomen, glyoxylaat, in een eerder gepubliceerd model door theoretisch bioloog Daniel Segrè. Een andere aanwijzing kwam van de organische chemici Ram Krishnamurthy en Greg Springsteen, die meldden dat pyruvaat (drie koolstofatomen) en glyoxylaat (twee koolstofatomen) gemakkelijk reageren om CC-bindingen in water te vormen. Kamila Muchowska, een postdoctoraal onderzoeker in het team van Moran en eerste auteur van de huidige studie zegt:"We mengden glyoxylaat en pyruvaat in warme, ijzerrijk water en merkte op dat het aanleiding geeft tot een reactienetwerk met meer dan 20 biologische tussenproducten, inclusief degenen die zo groot zijn als zes koolstofatomen." Niet alleen wordt het netwerk in de loop van de tijd complexer, maar het breekt ook de tussenproducten weer af tot CO ₂ , net zoals het leven dat doet. "Het op deze manier verkregen levensechte chemische systeem lijkt conceptueel op de functie van biologisch anabolisme en katabolisme - geen enzymen nodig, voeg gewoon ijzer toe, ' zegt Moran.

Als onderdeel van de studie, de onderzoekers testten wat er gebeurt als een bron van stikstof en een bron van elektronen in het systeem wordt geïntroduceerd. "Toen we hydroxylamine en metallisch ijzer aan het experiment toevoegden, het reactienetwerk produceerde vier biologische aminozuren, " legt Sreejith Varma uit, een co-auteur van de studie. Moran zegt, "Interessant, in de genetische code, diezelfde vier aminozuren hebben allemaal codons die beginnen met G, ondersteunende ideeën dat het metabolisme en de genetische code parallel kunnen zijn ontstaan."

Het nieuw ontdekte reactienetwerk heeft zoveel gemeen met bekende biologische cycli dat het team zich afvraagt ​​of de Krebs- en glyoxylaatcycli een puur chemische oorsprong hadden kunnen hebben. "We denken dat het chemische metabolisme op deze manier voorlopers van biologische cycli kan hebben opgebouwd, voordat ATP en enzymen bestonden, ", zegt Muchowska. De onderzoekers van Straatsburg willen nu graag zien hoe het reactienetwerk kan veranderen als reactie op verschillende elementen, en of het kan leiden tot de moleculen van de genetica.