In een belangrijke stap tijdens de vroege evolutie van het leven op aarde, de vorming van het aminozuur cysteïne leverde vitale katalysatoren, waardoor de vroegste eiwitmoleculen zich in water konden vormen, volgens een nieuwe studie van UCL-onderzoekers.

Alle eiwitten zijn opgebouwd uit dezelfde 20 aminozuren. Een van deze, cysteïne, werd verondersteld niet aanwezig te zijn geweest bij de oorsprong van het leven. Ondanks het fundamentele belang ervan voor al het leven van vandaag, het was onduidelijk hoe cysteïne zich op de vroege aarde zou hebben gevormd.

In een nieuwe studie, gepubliceerd in Wetenschap , Wetenschappers van de UCL hebben nagemaakt hoe cysteïne werd gevormd aan het begin van het leven. Aanvullend, ze hebben waargenomen hoe, eenmaal gevormd, cysteïne katalyseert de fusie van peptiden in water - een fundamentele stap op weg naar eiwitenzymen.

De UCL-onderzoekers creëerden cysteïne met behulp van zeer eenvoudige chemie en chemicaliën - waterstofcyanide en waterstofsulfide - die waarschijnlijk overvloedig aanwezig waren op de vroege aarde. De route die ze hebben ontrafeld lijkt sterk op hoe cysteïne tegenwoordig wordt gesynthetiseerd in levende organismen, en de onderzoekers geloven dat ze historisch verbonden zijn.

De studie toonde ook aan dat cysteïneresiduen de peptidesynthese in water katalyseren door korte peptidefragmenten samen te voegen die het team eerder had gevonden in een studie gepubliceerd in Natuur vorig jaar.

Senior auteur professor Matthew Powner (UCL Chemistry) zei:"Onze resultaten laten zien hoe cysteïne zich op de vroege aarde heeft gevormd en hoe het een cruciale rol had kunnen spelen in de evolutie van eiwitsynthese.

"Eenmaal gevormd, cysteïnekatalysatoren gedragen zich als 'proto-enzymen' om peptiden in water te produceren. Deze robuuste chemie had lang genoeg peptiden kunnen genereren om te vouwen tot enzymachtige structuren, die de voorlopers zouden zijn van de eiwitenzymen die fundamenteel zijn voor alle levende organismen."

Mede-hoofdauteur en onderzoeksmedewerker Dr. Saidul Islam (UCL Chemistry) zei:"We hebben aangetoond dat nitrillen de ingebouwde energie bezitten die nodig is om peptidebindingen in water te vormen. Dit is de eenvoudigste manier om peptiden te maken die met alle de 20 aminozuren, wat het des te ongelooflijker maakt.

"Het is precies het soort eenvoudige, maar toch speciaal, scheikunde die enkele miljarden jaren geleden essentieel was om het leven op gang te brengen. Onze studie levert verder bewijs dat de moleculen van het leven afstammen van de nitrilchemie op de vroege aarde."

Co-hoofdauteur Dr. Callum Foden, die het werk voltooide terwijl een Ph.D. student aan de UCL, zei:"De peptidesynthese die we ontdekten is eenvoudig, zeer selectief en maakt gebruik van moleculen die op de vroege aarde beschikbaar waren.

"Een enkel cysteïneresidu is voldoende om robuuste katalytische activiteit te produceren. Het is opmerkelijk dat zulke kleine moleculen zo'n belangrijke (bio)chemische reactie kunnen uitvoeren, selectief in water, bij neutrale pH, en in zulke hoge opbrengsten."

Verdere implicaties van hun studie bespreken, Professor Powner zei:"We hebben een al lang bestaand probleem voor de oorsprong van leven opgelost door een eenvoudige oplossing te bieden voor katalytische peptidesynthese in water. Belangrijk is dat de katalysatoren zijn alleen opgebouwd uit de aminozuren van de biologie. Door te begrijpen hoe cysteïne de vorming van de vroegste peptiden op aarde had kunnen beheersen, leek het lange pad van chemie naar een levend organisme een beetje korter, en een beetje minder uitdagend.

"Onze studie suggereert dat cysteïne voor het eerst werd geïntroduceerd in de peptiden van het leven door modificatie van serine (een van de andere aminozuren van het leven). Dit roept nu belangrijke vragen op over de vroege evolutie en codering van peptidesynthese. Er wordt algemeen aangenomen dat cysteïne niet aanwezig was in de eerste levensfase. genetische code, en dit sluit mooi aan bij onze waarnemingen. Onze resultaten geven aan dat gecodeerde serine cysteïnepeptiden zou kunnen leveren, wat leidt tot een sleutelrol voor cysteïne in de evolutie, zelfs voordat het werd toegewezen aan de genetische code van het leven."