Onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison hebben levensechte chemische reacties gecultiveerd terwijl ze een nieuwe strategie ontwikkelden om de oorsprong van het leven te bestuderen.

Het werk is verre van een vliegende start in het lab. Nog, het laat zien dat eenvoudige laboratoriumtechnieken het soort reacties kunnen opwekken dat waarschijnlijk nodig is om te verklaren hoe het leven op aarde zo'n vier miljard jaar geleden begon.

De onderzoekers onderwierpen een rijke soep van organische chemicaliën aan herhaalde selectie door de chemische populatie constant te verkleinen en weer op te bouwen met de toevoeging van nieuwe middelen. Over generaties van selectie, het systeem leek zijn grondstoffen te verbruiken, bewijs dat selectie mogelijk heeft geleid tot de verspreiding van chemische netwerken die zich kunnen voortplanten.

Op langere termijnen, deze chemische veranderingen oscilleerden in een zich herhalend patroon. Deze boom-en-bust-cyclus is nog niet volledig verklaard, maar het is een goed bewijs dat de chemische soepen feedbacklussen tot stand brachten die leken op die in levende organismen. David Baum, een UW-Madison hoogleraar botanie, en zijn team publiceerden hun bevindingen op 23 oktober, 2019, in het journaal Leven . Het werk werd gefinancierd door de National Science Foundation en NASA.

Nutsvoorzieningen, andere onderzoekers kunnen deze experimentele benadering gebruiken en helpen ontrafelen welke componenten nodig zijn om levensechte chemische systemen aan te moedigen en of die chemische netwerken kunnen doorgaan met het ontwikkelen van meer complexe eigenschappen.

Als dit systeem grotere complexiteit kan genereren, het zou kunnen helpen bij het oplossen van de puzzel over hoe eenvoudige chemicaliën uiteindelijk aanleiding gaven tot zoiets ingewikkelds als de cellulaire voorouder die tegenwoordig al het leven heeft voortgebracht.

"Een kernvraag in de oorsprong van het leven is:hoe krijg je evolutie voordat er genetische informatie zoals die in DNA of RNA was?" zegt Baum. "Wat we ons nu hebben gerealiseerd, is dat de evolutie van chemische netwerken dat probleem kan oplossen, en dat kunnen we in het lab aanpakken."

Om het idee van de evolutie van het chemische ecosysteem te testen, de onderzoekers verzamelden een rijke soep van chemicaliën. in zeewater, ze losten aminozuren op, suikers, veel voorkomende organische verbindingen, sporenelementen en de bouwstenen van nucleïnezuren. Om het systeem nog meer voorsprong te geven, de wetenschappers verrijkten het rijke zeewater met ATP, een hoogenergetisch molecuul dat tegenwoordig bijna alle reacties van het leven aanstuurt, maar in de oertijd waarschijnlijk niet bestond.

"Niet al deze chemicaliën waren mogelijk beschikbaar op de vroege aarde, maar we proberen een proces te versnellen dat in theorie zou kunnen beginnen met nog eenvoudigere bouwstenen, " zegt Baum, die ook een ontdekkingsgenoot is bij het Wisconsin Institute for Discovery.

Het team mengde hun oersoep met fijne pyrietkorrels, een mineraal van ijzer en zwavel, ook wel bekend als het goud van de dwaas. Voortbouwend op het voorstel van de Duitse chemicus Günter Wächtershäuser uit 1988 over chemische evolutie, Het team van Baum is van mening dat pyriet een ideaal materiaal is voor het cultiveren van levensechte chemie.

"Pyriet was een veel voorkomend mineraal op de oeraarde, het kan binden aan veel organische verbindingen, en het kan reacties tussen hen katalyseren, " zegt Lena Vincent, een afgestudeerde student in het laboratorium van Baum en de hoofdauteur van de studie. "En, heel elegant, veel sterk geconserveerde enzymen gedurende het hele leven hebben kernen die erg lijken op pyriet. Ze zijn eigenlijk pyriet verpakt in eiwitten."

De onderzoekers voegden een paar druppels van de verrijkte zeewatersoep toe aan een kleine hoeveelheid gemalen pyriet in een flacon en mengden de oplossing een paar dagen. Dit was de eerste generatie. Om de volgende generatie te beginnen, Vincent nam een ​​kleine hoeveelheid van de eerste oplossing en mengde het in een flesje met verse soep en pyriet. Meer dan een dozijn of meer generaties, alleen die chemische netwerken die zich sneller konden voortplanten dan ze waren verdund, zouden overleven en zich verspreiden.

Na 12 of 18 generaties, de onderzoekers zagen een daling in het beschikbare fosfaat - een uitlezing van het ATP-gebruik - en in het opgeloste organische materiaal, wat suggereerde dat chemische verbindingen zich zouden kunnen hechten aan en zich verspreiden langs de pyrietkorrels.

Toen ze het pyriet onder ultrahoge vergroting inspecteerden, de onderzoekers zagen een overvloed aan fractale vormen die zich langs het oppervlak van het mineraal verspreidden in de experimentele monsters, maar niet in controlemonsters die geen geschiedenis van selectie hadden.

Hoewel deze fractale vormen zouten lijken en zelf waarschijnlijk niet levensecht zijn, de onderzoekers vermoeden dat ze kunnen worden veroorzaakt door een dun uitstrijkje van organische verbindingen die aan de korrels zijn gebonden. De fractals verschenen nooit wanneer organisch materiaal uit de oplossing werd weggelaten.

"Wetenschappers zijn al heel lang op zoek naar voorbeelden van reacties die organische chemicaliën spontaan complexeren en organiseren, " zegt Jim Cleaves, een co-auteur van het werk van het Earth-Life Science Institute (ELSI) aan het Tokyo Institute of Technology in Japan. "Op basis van dit werk en andere experimenten die we bij ELSI hebben uitgevoerd, het lijkt mogelijk dat dergelijke reacties helemaal niet ongelooflijk zeldzaam zijn, het kan gewoon een kwestie zijn van het gebruik van de juiste tools om ze te vinden."

Toen de onderzoekers het experiment uitbreidden tot 40 generaties, ze observeerden perioden van geleidelijke verandering, afgewisseld met plotselinge omkeringen van de beginomstandigheden. Hoewel de oorzaak van deze crashes onbekend is, dit soort niet-lineaire feedbacklus wordt gedurende het hele leven gevonden en is het bewijs dat het experimentele systeem complex gedrag in de chemische soep veroorzaakte.

"Deze niet-lineariteit is een voorwaarde voor al het interessante, levensechte gedrag waarnaar we op zoek zijn, inclusief zelfvoortplanting en evolutie, " zegt Vincent. Voorzichtig opgewonden met hun voorlopige succes, Baum en zijn team staan ​​nu te popelen om anderen te rekruteren om hen te helpen hun systeem te verfijnen.

"We wilden een systeem ontwikkelen dat we verder kunnen onderzoeken om vragen over evolueerbaarheid aan te pakken. En hopelijk zullen andere laboratoria dit protocol gebruiken en verbeteren, "zegt Baum. "Dit is precies waar we wilden zijn."