De aarde herbergde niet altijd leven. Maar ongeveer 4 miljard jaar geleden, iets in de omgeving is veranderd, en systemen met biologische eigenschappen begonnen te ontstaan. Veel wetenschappers geloven dat een levendige dans van moleculen, aminozuren genaamd, gedeeltelijk verantwoordelijk is voor de verschuiving:moleculen gekoppeld, brak uit elkaar en kwamen uiteindelijk samen om het leven te vormen zoals wij het kennen.

We zullen misschien nooit precies weten hoe het proces werkte, maar chemici hebben tegenwoordig nieuwe ontdekkingen gedaan die voortbouwen op veelbelovende theorieën over hoe het leven is ontstaan.

"Hoe chemie leidde tot complex leven is een van de meest fascinerende vragen waar de mensheid over heeft nagedacht, " zegt Luke Leman, doctoraat, assistent-professor scheikunde bij Scripps Research. "Er zijn veel theorieën over de oorsprong van eiwitten, maar niet zo veel experimentele laboratoriumondersteuning voor deze ideeën."

Leman leidde onlangs een onderzoek naar het recept voor leven op de vroege aarde; het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Hij werkte nauw samen met onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en het Center for Chemical Evolution, die wordt ondersteund door de National Science Foundation en NASA.

"Het onderzoek helpt ons te begrijpen hoe positief geladen peptiden zich kunnen hebben gevormd op de prebiotische aarde, " zegt Moran Frenkel-Pinter, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker bij Georgia Tech en eerste auteur van het artikel. Peptiden worden gemaakt wanneer twee of meer aminozuurbouwstenen aan elkaar worden gekoppeld, leidend tot de eiwitten waaruit elk organisme bestaat.

Leman, Frenkel-Pinter en vele andere wetenschappers op dit gebied vinden het vreemd dat elk levend wezen op onze planeet zijn eiwitten vormt uit exact dezelfde set van 20 aminozuren. Waarom dat specifieke setje? Wetenschappers weten dat er nog veel meer aminozuren zijn. In feite, meteorieten met tot 80 aminozuren zijn op aarde geland.

"In de prebiotische aarde, er zou een veel grotere set aminozuren zijn geweest, " zegt Leman, die ook wetenschappelijk medewerker is bij het Centrum voor Chemische Evolutie. "Is er iets speciaals aan deze 20 aminozuren, of zijn deze door evolutie op een bepaald moment in de tijd bevroren?"

De nieuwe studie suggereert dat de afhankelijkheid van het leven van deze 20 aminozuren geen toeval is. De onderzoekers laten zien dat de soorten aminozuren die in eiwitten worden gebruikt, eerder aan elkaar gekoppeld zijn omdat ze efficiënter op elkaar reageren en weinig inefficiënte nevenreacties hebben.

Deze bevinding geeft onderzoekers een terugblik in de tijd en een werkmodel voor het testen van verdere theorieën over de oorsprong van het leven. Begrijpen hoe peptiden worden gevormd, is ook belangrijk voor het gebied van synthetische chemie, waar wetenschappers ernaar streven nieuwe moleculen te ontwerpen die kunnen worden gebruikt voor medicamenteuze therapieën en materiaalwetenschap.

"Dit werk is een echte stap om te begrijpen waarom bepaalde bouwstenen worden gevonden in de eiwitten die essentieel zijn voor het leven, " zegt Kathy Covert, programmadirecteur bij de Centra voor Chemische Innovatie van de National Science Foundation, die het Centrum voor Chemische Evolutie medefinanciert. "Door dit soort onderzoek het Centrum realiseert zijn ambitieuze missie om licht te werpen op de chemie van biopolymeren, een fundament van alle levende wezens."

Voor het experiment, de onderzoekers vergeleken "eiwitachtige" aminozuren - die tegenwoordig door organismen worden gebruikt - met aminozuren die niet aanwezig zijn in levende wezens. De onderzoekers wisten dat waterverdamping de voorwaarden had kunnen scheppen die nodig zijn om aminozuren op de vroege aarde met elkaar te verbinden. dus gebruikten ze een droogreactie - water verdampt en warmte wordt toegepast - om de natuurlijke omstandigheden na te bootsen die ervoor zorgen dat aminozuren peptiden vormen.

"Met verwarmings- en droogcycli, je kunt ketens van aminozuren vormen die lijken op eiwitstructuren, ' zegt Leman.

Hun experimenten toonden aan dat eiwitachtige aminozuren zich sneller spontaan verbinden om grote "macromoleculen" te vormen zonder dat er andere ingrediënten nodig zijn, zoals enzymen of activeringsmiddelen. Deze koppeling is een belangrijke stap bij het vormen van een eiwit.

De eiwitachtige aminozuren leken de voorkeur te geven aan reactiviteit via een deel van hun structuur dat het alfa-amine wordt genoemd. Ze vormden meestal lineair, eiwitachtige backbone "topologieën" (geometrische formaties). Deze neiging had deze aminozuren een voorsprong kunnen geven bij het vouwen en binden, uiteindelijk leidend tot eiwitten.

Op basis van de chemie die ze observeerden, de wetenschappers hebben nu een mogelijke verklaring voor de selectie van de positief geladen aminozuren in de eiwitten van vandaag.

"Dit is een puur chemische drijvende kracht die had kunnen leiden tot de selectie van bepaalde aminozuren boven andere, ' zegt Leman.

Loren Williams, doctoraat, professor aan Georgia Tech en co-leider van de studie, zegt dat het onderzoek scheikundigen een startpunt geeft om te begrijpen hoe het leven op de vroege aarde had kunnen beginnen, ook wel de Hadeïsche aarde genoemd. "We beginnen te begrijpen hoe puur chemische processen, gebaseerd op die van de Hadeïsche aarde, kan moleculen produceren die verrassende overeenkomsten hebben met biologische polymeren, " zegt Willems, die ook lid is van de CCE.

Vooruit gaan, de onderzoekers willen onderzoeken hoe deze aminozuren interageren met RNA, het ingrediënt al vroeg dat de volgende stap in de evolutie mogelijk heeft gemaakt.

"Het zal interessant zijn om te leren hoe deze positief geladen voorouders van eiwitten samenwerken met negatief geladen moleculen zoals RNA, ", zegt Frenkel-Pinter.