In een systeem met zelfreplicerende moleculen, waarvan eerder is aangetoond dat ze het vermogen hebben om te groeien, verdelen en evolueren, chemici van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu katalytische vermogens ontdekt die resulteren in een basismetabolisme. Verder, ze koppelden een lichtgevoelige kleurstof aan de moleculen, waardoor ze lichtenergie konden gebruiken om groei te stimuleren. Deze bevindingen, die het kunstmatige leven een stap dichterbij brengen, gelijktijdig in de tijdschriften werden gepubliceerd Natuurchemie en Natuur Katalyse op 26 juni.

Tien jaar geleden, Sijbren Otto, Hoogleraar Systeemchemie aan het Stratingh Institute for Chemistry van de Rijksuniversiteit Groningen, ontdekte een nieuw mechanisme voor zelfreplicatie:kleine peptide-bevattende moleculen in oplossing vormen ringen die vervolgens groeiende stapels vormen. Wanneer een stapel breekt, beide helften beginnen weer te groeien. Verder, de groei van stapels put het aantal ringen in oplossing uit en dit, beurtelings, stimuleert de vorming van nieuwe ringen uit de bouwstenen. Het systeem kan ook 'muten' als er verschillende bouwstenen worden toegevoegd.

Verbluffende ontdekking

Dit systeem, die spontaan ontstonden, is een vorm van kunstmatig proto-leven. "De definitie van leven is complex, maar in het algemeen, het leven zou drie basiseigenschappen moeten hebben, " legt Otto uit. "De eerste is replicatie, en dit gebeurt in ons systeem. De tweede is de stofwisseling, die bouwstenen moeten creëren uit materialen in de omgeving. En de derde is compartimentering, die het levende organisme van zijn omgeving scheidt." dergelijke organismen zouden een vierde moeten ontwikkelen, meer geavanceerde eigendom, dat is het vermogen om te evolueren en uit te vinden.

Otto en zijn team wilden veranderingen aanbrengen in hun moleculen om katalytische mogelijkheden toe te voegen. "Echter, toen we met het project begonnen, we hebben een verbluffende ontdekking gedaan. Zonder dat er wijzigingen nodig zijn, het systeem vertoonde al katalyse; het was ons alleen nog niet eerder opgevallen.” De stapels groeien uit ringen die zijn opgebouwd uit zes bouwstenen. Deze ringen worden gevormd door de bouwstenen te combineren van kleinere ringen die zijn opgebouwd uit drie of vier bouwstenen.

Evolutie

"Het bleek dat de stapels ringen de vorming van de kleinere ringen katalyseren, " zegt Otto. Verdere analyse toonde aan dat katalyse van deze reactie de aanwezigheid van twee specifieke aminozuurresiduen (twee lysineresiduen) vereist. "Noch de bouwstenen, noch de afzonderlijke ringen hebben katalytische eigenschappen, maar de stapels wel. Dus we nemen aan dat in deze stapels, er ontstaat een 3D-configuratie van deze lysineresiduen die fungeert als het katalytische centrum, net zoals eiwitten actieve plaatsen vormen door aminozuurresiduen in zeer specifieke rangschikkingen te plaatsen, " legt Otto uit. Dus, in de structuren die ontstaan ​​als gevolg van hun vermogen om zichzelf te repliceren, aminozuren worden zo georganiseerd dat ze als katalysator kunnen werken.

De stapels zijn ook in staat tot retro-aldolkatalyse, een bekende reactie die vaak wordt gebruikt om de inspanningen voor het ontwerpen van katalysatoren te benchmarken. "Interessant, onze stapels, die niet zijn ontworpen om katalytische capaciteiten te hebben, waren net zo efficiënt als de best ontworpen katalysatoren die we kennen." Het is interessant om te ontdekken dat dezelfde stapels twee zeer verschillende reacties kunnen katalyseren. Veel enzymen hebben dit vermogen, die evolutie de kans geeft om iets nieuws te ontwikkelen.

Metabolisme

In een tweede studie, een lichtgevoelige kleurstof werd toegevoegd. "Guille Monreal, een van mijn Ph.D. studenten, lees dat een dergelijke kleurstof de vorming van reactieve singlet-zuurstof in amyloïde peptiden zou kunnen stimuleren. Omdat reactieve zuurstof belangrijke stappen in ringvorming stimuleert, hij wilde zien of dit de vorming van ringen zou versnellen." Er zijn twee verschillende kleurstoffen gevonden die inderdaad de ringvorming versnellen bij blootstelling aan licht, maar alleen als ze aan de stapels waren vastgebonden. "De kleurstoffen bleken te werken als co-factoren voor de stapels, net zoals hedendaagse eiwitten cofactoren gebruiken voor hun katalyse, ", zegt Otto. Wanneer gebonden aan de replicerende vezels, de kleurstof kan energie uit licht gebruiken om reactieve singletzuurstof te creëren en daardoor de vorming van nieuwe ringen te vergroten.

Zowel de spontane katalyse door de stacks als de katalyse gemedieerd door de cofactor resulteren in een soort metabolisme dat gekoppeld is aan replicatie. "Het is nog niet het soort metabolisme dat je in levende organismen ziet, " legt Otto uit. "In ons systeem, katalyse versnelt alleen maar reacties die zonder hulp langzaam zouden plaatsvinden. In het leven, metabolisme stimuleert ook reacties die anders niet zouden optreden."

Kunstmatig leven

Echter, Het kunstmatige systeem van Otto vertoont zowel replicatie als een primitieve vorm van metabolisme. "Verder, vanaf dit moment, compartimentering is een relatief kleine stap." is hij dicht bij het zien van kunstmatig leven in zijn reageerbuizen? "Niet helemaal, " geeft Otto toe. "Dat zou vereisen dat het systeem in staat is tot open-einde evolutie, wat betekent dat het mogelijkheden kan ontwikkelen die niet in het systeem aanwezig zijn. En we hebben nog geen duidelijk idee hoe we dat kunnen bereiken. Maar ons systeem lijkt een solide basis van waaruit we daar kunnen komen."