Al het moderne leven gebruikt energie om zichzelf te reproduceren. Tijdens dit proces, organismen bouwen en breken grotere moleculen zoals vetten en suikers af met behulp van een opmerkelijk veel voorkomende reeks reactieve intermediaire energiedragermoleculen. Deze tussenliggende energiedragers (bijv. ATP) zijn vaak geen bouwstenen op zich, maar ze maken de energiekoppeling mogelijk tussen afzonderlijke reacties die nodig zijn om cellulaire reproductie vooruit te helpen.

Een klasse van deze verbindingen zijn thioesters, chemische verbindingen die een hoogenergetische koolstof-zwavelbinding bevatten. Onderzoekers speculeren al een tijdje dat thio-esters misschien wel een van de oudste versies zijn van dergelijke metabolische reactieve tussenproducten, deels omdat moderne organismen nog steeds thioesters gebruiken om suikers af te breken en eiwitten te maken van aminozuren. Hoe reactieve tussenproducten zoals thioesters zich hadden kunnen ontwikkelen voordat het leven zich ontwikkelde, of toen het vroege leven zijn eerste babystapjes zette, blijft in nevelen gehuld.

Nieuw werk van onderzoekers van het Earth-Life Science Institute (ELSI) van het Tokyo Institute of Technology toont aan dat een eenvoudige verbinding die wordt aangetroffen in sommige moderne vulkanische gassen, een thiozuur (een verbinding gevormd uit een organisch zuur en waterstofsulfide), reageert gemakkelijk met eenvoudige zwavelhoudende thiolverbindingen die vergelijkbaar zijn met die van het moderne metabolisme om reactieve thioesters te vormen die vergelijkbaar zijn met die in de moderne biologie. Deze reactie vindt gemakkelijk plaats in water en heeft mogelijk als startpunt gediend voor de ontwikkeling van meer complexe biochemie. Tijdens het onderzoek, de onderzoekers ontdekten dat wanneer ze ijzer in hun reacties opnemen (wat zeer overvloedig is op aarde), de opbrengsten van het reactieproduct namen toe.

Het team suggereert dat dit een energiekoppeling tussen meerdere reacties kan betekenen, waarin de ene reactie de andere vooruit drijft, kan zijn oorsprong hebben in niet-levende milieuchemie. Opmerkelijk, ze ontdekten ook dat een bijproduct van de reactie kan worden gebruikt om een ​​tweede type veelzijdige energiekoppelingsverbinding te maken die nodig is voor alle levende wezens:FeS-clusters (afkorting van ijzer-zwavel). Dit zijn kleine aggregaten van elk slechts enkele atomen ijzer en zwavel, die organismen helpen metaboliseren terwijl ze elektronen van het ene molecuul naar het andere verplaatsen. Een belangrijk voorbeeld van zo'n FeS-cluster-gebruik-pad is fotosynthese, die elektronen van water naar CO . overdraagt ₂ om suikers en zuurstof te maken. Dit werk biedt dus een nieuw begrip van hoe hoogenergetische moleculen en elektronenoverdrachtsreacties van nature kunnen zijn geproduceerd toen het vroege metabolisme evolueerde.

Hoewel wetenschappers al enige tijd proberen de oorsprong van de bouwstenen van het leven te begrijpen, er is weinig moeite gedaan om te begrijpen hoe energieoverdracht is ontstaan ​​in de prebiotische chemie. Het begrijpen van deze energie-uitwisseling kan net zo belangrijk zijn als het begrijpen van de oorsprong van bouwstenen, dus besloot het ELSI-team op zoek te gaan naar reacties die energetisch aan elkaar gekoppeld konden worden.

Hoofdauteur Sebastian Sanden zegt:"We waren al bezig met het bestuderen van FeS-mineralen, en we wisten hoe gemakkelijk hun vorming was, dus we wilden zien of we deze overtollige verspilde energie konden koppelen aan een andere reactie." Het thiozuur dat ze aanvankelijk bestudeerden, bevat zwavel, waarvan ze toen wisten dat ze alleen met ijzer hoefden te reageren om de FeS-clusters te maken die ze al bestudeerden.

De experimenten en analyses die de ELSI-onderzoekers uitvoerden, moesten snel achter elkaar worden uitgevoerd om het verloop van de reactie te volgen. Hiervoor hebben ze technieken ontwikkeld, en zo konden ze bepalen hoe snel deze reacties plaatsvonden. Hun voorlopige experimenten met het maken van thioester verliepen niet zo snel als ze aanvankelijk hadden gehoopt, maar door een katalysator toe te voegen en de temperatuur te verhogen, ze ontdekten dat maximale thio-esteropbrengsten werden verkregen in minder dan een uur, in tegenstelling tot een paar dagen voordat u deze wijzigingen aanbrengt.

Het team vindt het vooral fascinerend dat dit soort reacties "cascadereacties, " die steeds complexere moleculen maken:pyruvaat ontleedt, helpen bij het vormen van een thioester, waardoor vervolgens peptiden (kleinere neven van eiwitten) kunnen worden gevormd via de nieuw ontdekte thioester-route. Het team hoopt dit vervolgens experimenteel te testen en een systeem te creëren dat het aantal componenten dat het zelf bevat kan vergroten, misschien helemaal tot zelfreproductie.

In feite, sommige moderne microben gebruiken pyruvaatontleding en thioestervorming bijgestaan ​​door FeS-clusters in hun metabolisme, en het is mogelijk dat de reacties die het team ontdekte, samenvatten hoe vroege prebiologische of biologische evolutie ze ontdekte. Hoofdonderzoeker, ELSI universitair hoofddocent Shawn McGlynn, zegt, "Dit werk biedt nieuwe verbindingen tussen meerdere prebiotische reactiecomponenten die mogelijk van cruciaal belang zijn geweest voor het tot stand brengen van een vroeg energiemetabolisme op aarde."

Hoewel dit werk nieuw licht kan werpen op hoe natuurlijk voorkomende energie-uitwisselingsreacties kunnen hebben bijgedragen aan het op gang brengen van het metabolisme, het kan ook belangrijk zijn op het gebied van groene chemie, die zich bezighoudt met het vinden van de meest energetisch effectieve en milieuvriendelijke methoden om chemische verbindingen te maken. Terwijl giftige zware metalen zoals cadmium en kwik en oplosmiddelen zoals chloroform vaak worden gebruikt in de industriële organische chemie, de door deze onderzoeksgroep ontdekte reacties zijn zeer efficiënt en werken in water met niet-giftig ijzer als katalysator.