Ontdekken hoe de eerste biologische moleculen (zoals eiwitten en DNA) zijn ontstaan, is een belangrijk doel voor onderzoekers die proberen de oorsprong van het leven te achterhalen. Vandaag, scheikundigen aan de Saint Louis University, in samenwerking met wetenschappers van het College of Charleston en het NSF/NASA Center for Chemical Evolution, publiceerde een studie in het tijdschrift Natuurcommunicatie dat suggereert dat vervloeiende mineralen - die oplossen in water dat ze absorberen uit vochtige lucht - kunnen helpen bij de constructie van eiwitten uit eenvoudiger bouwstenen tijdens cycli die zijn getimed om dag en nacht op de vroege aarde na te bootsen.

"In termen van de geschiedenis van de planeet, hoe het leven is ontstaan ​​is waarschijnlijk de grootste wetenschappelijke vraag die we kunnen stellen, " zei Paul Bracher, doctoraat, assistent-professor scheikunde aan de Saint Louis University en hoofdonderzoeker van de studie. "Een belangrijk onderdeel van deze grote uitdaging is uitzoeken hoe grote polymeermoleculen waarvan we weten dat ze belangrijk zijn voor het leven, gevormd kunnen zijn voordat al onze biologische machines evolueerden om ze te maken."

Eiwitten bakken in de prebiotische keuken

Aminozuren zijn de moleculaire bouwstenen die met elkaar zijn verbonden door peptidebindingen om eiwitten te vormen. Chemici weten al lang dat het simpelweg bakken van mengsels van aminozuren tot ze droog zijn, leidt tot de vorming van peptidebindingen. De opbrengsten aan peptiden verbeteren wanneer water wordt toegevoegd en het monster opnieuw wordt gedroogd, nadat de ingrediënten opnieuw zijn gemengd. Het onderwerpen van aminozuren aan herhaalde nat-droog cycli had een goed recept kunnen zijn voor het koken van peptiden en eiwitten op de vroege aarde, aangezien warme zonnige dagen onderbroken door af en toe een regenbui redelijke weerpatronen lijken. Maar een belangrijk punt van kritiek op dit proces is de afhankelijkheid van onvoorspelbare stormen die de ingrediënten mogelijk hebben afgezwakt tot overmaat.

Water:een noodzakelijk maar problematisch ingrediënt

"Volg het water" is het motto van NASA in de zoektocht naar leven buiten onze planeet. Zonder water, de biochemie van het leven zoals we het kennen zou onmogelijk zijn.

In de scheikunde van de oorsprong van het leven, de oplossing is vaak het probleem. Om constructieve chemische processen te laten plaatsvinden, de bouwstenen moeten oplossen in een vloeibare oplossing om partners te vinden om te reageren. Op aarde, dit medium is water, het oplosmiddel van het leven.

Echter, water kan een tweesnijdend zwaard zijn. Terwijl het leven water nodig heeft om te overleven, te veel water kan destructief zijn. De meeste biologische moleculen zijn vatbaar voor hydrolyse, een proces waarbij water chemische bindingen verbreekt. En te veel water zal uiteindelijk de ontwikkelende cellen overspoelen die de evoluerende biomoleculen bevatten, ze te ver uit elkaar strooien om te kunnen reageren.

Een snufje zout

Vervloeiende mineralen bieden een middel om de beperkingen van traditioneel nat-droog fietsen te omzeilen. Deze zouten nemen een beperkte hoeveelheid water op uit de lucht, op basis van de relatieve vochtigheid, natuurlijke regulering van het water dat in een oplossing aanwezig is.

De nieuwe studie - een samenwerking tussen wetenschappers van SLU en het College of Charleston - meldt hoe vervloeiende zouten kunnen helpen bij het maken van peptiden van het eenvoudigste aminozuur, glycine, tijdens zelfregulerende, herhalen nat-droog fietsen. Tijdens de Dag, de reactiemengsels vormen peptiden wanneer ze bij hoge temperaturen tot droog verdampen. 's Nachts, de reacties halen water uit de atmosfeer om waterige oplossingen te vormen bij lage temperaturen, daardoor opnieuw bevochtigen zonder toevoeging van water door een regenbui en het vermijden van de mogelijkheid van destructieve oververdunning.

Schijnbaar kleine verschillen, zoals het veranderen van de luchtvochtigheid van 50% naar 70%, kan leiden tot grote verschillen in de neiging van monsters om water te absorberen, en daarom, grote verschillen in de opbrengsten van reacties die ze hosten. En terwijl kalium en natrium buren zijn op het periodiek systeem met bijna identieke reactiviteiten, veel kaliumzouten zijn vervloeiend waar hun natriumtegenhangers dat niet zijn. Het zout K2HPO4 bevorderde opbrengsten van peptiden van glycine die tien keer groter waren dan in Na ₂ HPO ₄ .

Het team gelooft dat hun systeem aanwijzingen kan geven die relevant zijn voor het oplossen van het mysterie waarom al het leven op aarde zoveel energie besteedt aan het verrijken van kalium in cellen en het weggooien van natrium.

"Dit creatieve onderzoek, onderzoeken hoe de chemische omgeving de vorming van grote moleculen reguleert, vertegenwoordigt een nieuwe belangrijke stap in de richting van CCE's doel om de chemie achter vroege biologische moleculen te begrijpen. Succesvolle betrokkenheid van niet-gegradueerde onderzoekers bij dit werk weerspiegelt ook de missie van NSF om onderzoek te integreren met onderwijs voor de opleiding van toekomstige arbeidskrachten, " zei Dr. Lin He, de waarnemend adjunct-divisiedirecteur voor de afdeling scheikunde van de National Science Foundation.

Bakkerijen buiten de aarde

Ondanks hun exotisch klinkende naam, vervloeiende zouten komen veel voor en komen voor in natuurlijke omgevingen waar ze een rol kunnen spelen bij het mogelijk maken van vloeibaar water in omgevingen die anders te koud en/of te droog zijn.

In een hyperdroge regio van de Chileense Atacama-woestijn die onherbergzaam is voor het leven, microbiële gemeenschappen wonen in afzettingen van het mineraal haliet. Hun fotosynthetische activiteit piekt wanneer de relatieve vochtigheid boven de 70% komt, overschrijding van de drempel waar hun halite-omgeving vervloeiend wordt.

Op Mars zijn ook vervloeiende mengsels van chloride- en perchloraatzouten gevonden. Deze mengsels lijken seizoensgebonden te stromen en hebben veel belangstelling gekregen van astrobiologen als het enige vloeibare water op het oppervlak van de planeet.

Door gebruik te maken van deze van nature voorkomende mineralen, deze nieuwe studie stelt nat-droogcycli voor die worden gereguleerd door natuurlijke dagelijkse schommelingen in temperatuur en vochtigheid - niet op oncontroleerbare regengebeurtenissen - die een prebiotisch haalbaar model vormen voor het aansturen van de chemische vorming van biopolymeren die centraal staan ​​in de biologie.

Was een simpel snufje zout het ontbrekende ingrediënt om het leven op aarde te koken? We zullen het misschien nooit zeker weten, maar in dit geval het lijkt zeker een grote verbetering te zijn voor het recept voor bakeiwitten.