In de zoektocht naar de chemische oorsprong van het leven, onderzoekers hebben een mogelijk alternatief pad gevonden voor het ontstaan ​​van het karakteristieke DNA-patroon:volgens de experimenten de karakteristieke DNA-basenparen kunnen zich vormen door droge verwarming, zonder water of andere oplosmiddelen. Het team onder leiding van Ivan Halasz van het Rudjer Boskovic Instituut en Ernest Mestrovic van het farmaceutische bedrijf Xellia presenteert zijn waarnemingen van DESY's röntgenbron PETRA III in het tijdschrift Chemische communicatie .

"Een van de meest intrigerende vragen in de zoektocht naar de oorsprong van het leven is hoe de chemische selectie plaatsvond en hoe de eerste biomoleculen werden gevormd, " zegt Tomislav Stolar van het Rudjer Boskovic Instituut in Zagreb, de eerste auteur op het papier. Terwijl levende cellen de productie van biomoleculen regelen met hun geavanceerde machines, de eerste moleculaire en supramoleculaire bouwstenen van het leven werden waarschijnlijk gecreëerd door pure chemie en zonder enzymkatalyse. Voor hun studie de wetenschappers onderzochten de vorming van nucleobasenparen die fungeren als moleculaire herkenningseenheden in het deoxyribonucleïnezuur (DNA).

Onze genetische code is opgeslagen in het DNA als een specifieke sequentie gespeld door de nucleobasen adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). De code is gerangschikt in twee lange, complementaire strengen gewikkeld in een dubbele helixstructuur. In de strengen, elke nucleobase paren met een complementaire partner in de andere streng:adenine met thymine en cytosine met guanine.

"Alleen specifieke paarcombinaties komen voor in het DNA, maar wanneer nucleobasen worden geïsoleerd, houden ze er helemaal niet van om aan elkaar te binden. Dus waarom heeft de natuur deze basenparen gekozen?", zegt Stolar. Onderzoek naar het paren van nucleobasen nam toe na de ontdekking van de dubbele DNA-helixstructuur door James Watson en Francis Crick in 1953. Echter, het was nogal verrassend dat er weinig succes is geweest bij het bereiken van specifieke nucleobase-paren in omstandigheden die als prebiotisch aannemelijk kunnen worden beschouwd.

"We hebben een ander pad bewandeld, " meldt co-auteur Martin Etter van DESY. "We hebben geprobeerd uit te zoeken of de basenparen kunnen worden gegenereerd door mechanische energie of gewoon door verwarming." het team bestudeerde gemethyleerde nucleobasen. Door een methylgroep (-CH3) aan de respectievelijke nucleobasen te hechten, kunnen ze in principe waterstofbruggen vormen aan de Watson-Crick-kant van het molecuul. Gemethyleerde nucleobasen komen van nature voor in veel levende organismen waar ze een verscheidenheid aan biologische functies vervullen.

In het labortorium, de wetenschappers probeerden nucleobasenparen te produceren door te malen. Poeders van twee nucleobasen werden samen met stalen kogels in een maalpot geladen, die dienden als maalmedia, terwijl de potten gecontroleerd werden geschud. Het experiment leverde A:T-paren op die ook al eerder door andere wetenschappers waren waargenomen. Malen echter, kon de vorming van G:C-paren niet bereiken.

In een tweede stap, de onderzoekers verhitten de gemalen cytosine- en guaninepoeders. "Bij ongeveer 200 graden Celsius, we konden inderdaad de vorming van cytosine-guanine-paren waarnemen, " meldt Stolar. Om te testen of de basen alleen de bekende paren vormen onder thermische omstandigheden, het team herhaalde de experimenten met mengsels van drie en vier nucleobasen in het P02.1-meetstation van DESY's röntgenbron PETRA III. Hier, de gedetailleerde kristalstructuur van de mengsels kon worden gevolgd tijdens verwarming en vorming van nieuwe fasen kon worden waargenomen.

"Bij ongeveer 100 graden Celsius, we waren in staat om de vorming van de adenine-thymine-paren te observeren, en bij ongeveer 200 graden Celsius de vorming van Watson-Crick-paren van guanine en cytosine, " zegt Etter, hoofd van het meetstation. "Een ander basenpaar vormde zich niet, zelfs niet als het verder werd verwarmd tot het smelt." Dit bewijst dat de thermische reactie van nucleobasenparing dezelfde selectiviteit heeft als in het DNA.

"Onze resultaten laten een mogelijke alternatieve route zien over hoe de moleculaire herkenningspatronen die we in het DNA waarnemen, gevormd zouden kunnen zijn, " voegt Stolar toe. "De omstandigheden van het experiment zijn aannemelijk voor de jonge aarde die een hete, ziedende ketel met vulkanen, aardbevingen, meteorietinslagen en allerlei andere gebeurtenissen. Onze resultaten openen veel nieuwe paden in de zoektocht naar de chemische oorsprong van het leven." Het team is van plan deze route verder te onderzoeken met vervolgexperimenten op P02.1.