Organische moleculen vormden de basis voor de evolutie van het leven. Maar hoe kunnen anorganische voorlopers ze hebben doen ontstaan? LMU-chemicus Oliver Trapp rapporteert nu een reactiepad waarbij mineralen de vorming van suikers katalyseren in afwezigheid van water.

Meer dan 4 miljard jaar geleden, de aarde was nog lang niet de blauwe planeet die ze later zou worden. Op dat moment was het net begonnen af ​​te koelen en, in de loop van dat proces, de concentrische structurele zones die steeds dieper onder onze voeten liggen, werden gevormd. De vroege aarde werd gedomineerd door vulkanisme, en de atmosfeer bestond uit koolstofdioxide, stikstof, methaan, ammoniak, waterstofsulfide en waterdamp. In deze beslist onherbergzame omgeving werden de bouwstenen van het leven gevormd. Hoe zou dit dan kunnen gebeuren?

Onderzoekers puzzelen al tientallen jaren over de vraag. De eerste doorbraak werd in 1953 gemaakt door twee chemici, genaamd Stanley Miller en Harold C. Urey, aan de Universiteit van Chicago. In hun experimenten, ze simuleerden de atmosfeer van de oeraarde in een gesloten reactiesysteem dat de bovengenoemde gassen bevatte. Een miniatuur 'oceaan' werd verwarmd om waterdamp te leveren, en elektrische ontladingen werden door het systeem geleid om de effecten van bliksem na te bootsen. Toen ze de chemicaliën analyseerden die onder deze omstandigheden werden geproduceerd, Miller en Urey ontdekten aminozuren - de basisbestanddelen van eiwitten - evenals een aantal andere organische zuren.

Het is nu bekend dat de omstandigheden die in deze experimenten werden gebruikt, niet overeenkwamen met die op de vroege aarde. Hoe dan ook, het Miller-Urey-experiment heeft het gebied van prebiotische chemische evolutie geïnitieerd. Echter, het werpt niet veel licht op hoe andere klassen moleculen die in alle biologische cellen worden aangetroffen, zoals suikers, vetten en nucleïnezuren - kunnen zijn gegenereerd. Deze verbindingen zijn echter onmisbare ingrediënten van het proces dat leidde tot de eerste bacteriën en vervolgens tot fotosynthetische cyanobacteriën die zuurstof produceerden. Dit is waarom Oliver Trapp, Hoogleraar Organische Chemie bij LMU, besloot zijn onderzoek te richten op de prebiotische synthese van deze stoffen.

Van formaldehyde tot suiker

Het verhaal van synthetische routes van kleinere voorlopers naar suikers gaat bijna een eeuw terug vóór het Miller-Urey-experiment. in 1861, de Russische chemicus Alexander Butlerov toonde aan dat formaldehyde verschillende suikers kan doen ontstaan ​​via wat bekend werd als de formosereactie. Miller en Urey vonden in feite mierenzuur in hun experimenten, en het kan gemakkelijk worden gereduceerd om formaldehyde op te leveren. Butlerov ontdekte ook dat de formosereactie wordt bevorderd door een aantal metaaloxiden en hydroxiden, inclusief die van calcium, barium, thallium en lood. Met name calcium is overvloedig aanwezig op en onder het aardoppervlak.

Echter, de hypothese dat via de formosereactie suikers zouden kunnen zijn geproduceerd, stuit op twee problemen. De 'klassieke' formosereactie produceert een divers mengsel van verbindingen, en het vindt alleen plaats in waterige media. Deze eisen staan ​​op gespannen voet met het feit dat er suikers zijn aangetroffen in meteorieten.

Samen met collega's van LMU en het Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg, Trapp besloot daarom te onderzoeken of formaldehyde suikers kan opleveren in een vastefasesysteem. Met het oog op het simuleren van de soorten mechanische krachten waaraan vaste mineralen zouden zijn blootgesteld, alle reactiecomponenten werden gecombineerd in een kogelmolen - in afwezigheid van oplosmiddelen, maar het toevoegen van voldoende formaldehyde om de poedervormige vaste stoffen te verzadigen

En inderdaad, de formosereactie werd waargenomen en verschillende mineralen bleken deze te katalyseren. Het formaldehyde werd geadsorbeerd op de vaste deeltjes, en de interactie resulteerde in de vorming van het formaldehydedimeer (glycolaldehyde) - en ribose, de 5-koolstofsuiker die een essentieel bestanddeel is van ribonucleïnezuur (RNA). Men denkt dat RNA vóór DNA is samengevoegd, en het dient als de opslagplaats van genetische informatie in veel virussen, evenals het verschaffen van de sjablonen voor eiwitsynthese in alle cellulaire organismen. In de experimenten werden ook meer complexe suikers verkregen, samen met een paar bijproducten, zoals melkzuur en methanol.

"Onze resultaten bieden een plausibele verklaring voor de vorming van suikers in de vaste fase, zelfs onder buitenaardse omgevingen in afwezigheid van water, ", zegt Trapp. Ze roepen ook nieuwe vragen op die kunnen wijzen op nieuwe en onverwachte prebiotische routes naar de basiscomponenten van het leven zoals we dat kennen, zoals Trapp bevestigt. "We zijn ervan overtuigd dat deze nieuwe inzichten geheel nieuwe perspectieven zullen openen voor onderzoek naar prebiotische, chemische evolutie, " hij zegt.