De meeste inspanningen in onderzoek naar de oorsprong van het leven zijn gericht op het begrijpen van de prebiotische vorming van biologische bouwstenen. Echter, het is mogelijk dat vroege biologische evolutie afhankelijk was van verschillende chemische structuren en processen, en deze werden in de loop van de tijd geleidelijk vervangen door eonen van evolutie. Onlangs, chemici Irena Mamajanov, Melina Caudan en Tony Jia van het Earth-Life Science Institute (ELSI) in Japan leenden ideeën uit de polymeerwetenschap, medicijnafgifte, en biomimicry om deze mogelijkheid te onderzoeken. Verrassend genoeg, ze ontdekten dat zelfs kleine sterk vertakte polymeren als effectieve katalysatoren konden dienen, en deze hebben misschien geholpen om het leven op gang te krijgen.

In de moderne biologie gecodeerde eiwit-enzymen doen het meeste katalytische werk in cellen. Deze enzymen zijn opgebouwd uit lineaire polymeren van aminozuren, die zichzelf opvouwen en dubbelvouwen om vaste driedimensionale vormen te vormen. Door deze voorgevormde vormen kunnen ze heel specifiek interageren met de chemicaliën waarvan ze de reacties katalyseren. Katalysatoren zorgen ervoor dat reacties veel sneller plaatsvinden dan anders het geval zou zijn, maar laat je niet verteren door de reactie zelf, dus een enkel katalysatormolecuul kan helpen om dezelfde reactie vele malen te laten plaatsvinden. In deze driedimensionale gevouwen toestanden, het grootste deel van de structuur van de katalysator heeft geen directe interactie met de chemicaliën waarop het inwerkt, en helpt de enzymstructuur gewoon om zijn vorm te behouden.

In het huidige werk, ELSI-onderzoekers bestudeerden hypervertakte polymeren - boomachtige structuren met een hoge mate en dichtheid van vertakking die intrinsiek bolvormig zijn zonder de noodzaak van geïnformeerde vouwing - wat vereist is voor moderne enzymen. Hypervertakte polymeren, zoals enzymen, zijn in staat om katalysatoren en reagentia te positioneren, en de lokale chemie op nauwkeurige manieren te moduleren.

De meeste inspanningen in onderzoek naar de oorsprong van het leven zijn gericht op het begrijpen van de prebiotische vorming van moderne biologische structuren en bouwstenen. De logica is dat deze verbindingen nu bestaan, en dus kan het begrijpen hoe ze in de omgeving kunnen worden gemaakt, helpen verklaren hoe ze zijn ontstaan. Echter, we kennen maar één voorbeeld van het leven, en we weten dat het leven voortdurend evolueert, wat betekent dat alleen de meest succesvolle varianten van organismen overleven. Het kan dus redelijk zijn om aan te nemen: modern organismen lijken misschien niet erg op de eerst organismen, en het is mogelijk dat prebiotische chemie en vroege biologische evolutie op andere chemische structuren en processen vertrouwden dan de moderne biologie om zichzelf te reproduceren. Als analogie met de technologische evolutie, vroege kathodestraal-tv's vervulden min of meer dezelfde functie als moderne high definition-beeldschermen, maar het zijn fundamenteel verschillende technologieën. De ene technologie leidde in sommige opzichten tot de creatie van de andere, maar het was niet per se de logische en directe voorloper van de ander.

Als dit soort 'steiger'-model voor biochemische evolutie waar is, de vraag wordt wat voor soort eenvoudiger structuren, naast die gebruikt in hedendaagse biologische systemen, zou hebben geholpen om dezelfde soort katalytische functies uit te voeren die het moderne leven vereist? Mamajanov en haar team redeneerden dat hypervertakte polymeren goede kandidaten zouden kunnen zijn.

Het team synthetiseerde enkele van de hypervertakte polymeren die ze bestudeerden uit chemicaliën waarvan redelijkerwijs kon worden verwacht dat ze op de vroege aarde aanwezig waren voordat het leven begon. Het team toonde vervolgens aan dat deze polymeren kleine natuurlijk voorkomende anorganische clusters van atomen kunnen binden die bekend staan ​​​​als zinksulfide-nanodeeltjes. Van dergelijke nanodeeltjes is bekend dat ze op zichzelf ongewoon katalytisch zijn.

Zoals hoofdwetenschapper Mamajanov opmerkt, 'In dit onderzoek hebben we twee verschillende soorten hypervertakte polymeersteigers geprobeerd. Om ze te laten werken, we hoefden alleen maar een zinkchloride-oplossing en een polymeeroplossing te mengen, voeg dan natriumsulfide toe, en "voila, " we hebben een stabiele en effectieve katalysator op basis van nanodeeltjes verkregen.'

De volgende uitdaging van het team was om aan te tonen dat deze hypervertakte polymeer-nanodeeltjeshybriden daadwerkelijk iets interessants en katalytisch zouden kunnen doen. Ze ontdekten dat deze met metaalsulfide gedoteerde polymeren die kleine moleculen afbreken vooral actief waren in de aanwezigheid van licht, in sommige gevallen katalyseerden ze de reactie met wel een factor 20. Zoals Mamajanov zegt, 'Tot nu toe hebben we slechts twee mogelijke steigers en slechts één doteringsstof onderzocht. Er zijn er ongetwijfeld veel, nog veel meer voorbeelden hiervan moeten nog worden ontdekt.'

De onderzoekers merkten verder op dat deze chemie relevant kan zijn voor een oorsprongsmodel dat bekend staat als de 'Zinkwereld'. Volgens dit model is het eerste metabolisme werd aangedreven door fotochemische reacties die werden gekatalyseerd door zinksulfidemineralen. Ze denken dat met enkele aanpassingen, dergelijke hypervertakte steigers zouden kunnen worden aangepast om analogen van ijzer- of molybdeenbevattende eiwitenzymen te bestuderen, waaronder belangrijke die betrokken zijn bij moderne biologische stikstofbinding. Mamajanov zegt, 'De andere vraag die dit oproept, is:ervan uitgaande dat het leven of het voorleven dit soort steigerwerk gebruikte, waarom vestigde het leven zich uiteindelijk op enzymen? Is er een voordeel aan het gebruik van lineaire polymeren ten opzichte van vertakte polymeren? Hoe, wanneer en waarom vond deze overgang plaats?'