Vier miljard jaar geleden zag de aarde er heel anders uit dan nu, verstoken van leven en bedekt door een enorme oceaan. In die oersoep is in de loop van miljoenen jaren het leven ontstaan. Onderzoekers hebben lang getheoretiseerd hoe moleculen samenkwamen om deze overgang op gang te brengen. Nu hebben wetenschappers van Scripps Research een nieuwe reeks chemische reacties ontdekt die gebruik maken van cyanide, ammoniak en koolstofdioxide - waarvan men dacht dat ze allemaal gebruikelijk waren op de vroege aarde - om aminozuren en nucleïnezuren te genereren, de bouwstenen van eiwitten en DNA.

"We hebben een nieuw paradigma bedacht om deze verschuiving van prebiotische naar biotische chemie te verklaren", zegt Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., universitair hoofddocent scheikunde bij Scripps Research, en hoofdauteur van het nieuwe artikel, gepubliceerd op 28 juli. , 2022 in het tijdschrift Nature Chemistry . "We denken dat het soort reacties dat we hebben beschreven waarschijnlijk zijn wat er op de vroege aarde had kunnen gebeuren."

Behalve dat ze onderzoekers inzicht geven in de chemie van de vroege aarde, zijn de nieuw ontdekte chemische reacties ook nuttig in bepaalde productieprocessen, zoals het genereren van op maat gelabelde biomoleculen uit goedkope uitgangsmaterialen.

Eerder dit jaar liet Krishnamurthy's groep zien hoe cyanide de chemische reacties mogelijk kan maken die prebiotische moleculen en water omzetten in basische organische verbindingen die nodig zijn voor het leven. In tegenstelling tot eerder voorgestelde reacties, werkte deze bij kamertemperatuur en in een breed pH-bereik. De onderzoekers vroegen zich af of er onder dezelfde omstandigheden een manier was om aminozuren te genereren, complexere moleculen die eiwitten vormen in alle bekende levende cellen.

In cellen van tegenwoordig worden aminozuren gegenereerd uit voorlopers die α-ketozuren worden genoemd met behulp van zowel stikstof als gespecialiseerde eiwitten die enzymen worden genoemd. Onderzoekers hebben bewijs gevonden dat α-ketozuren waarschijnlijk al vroeg in de geschiedenis van de aarde bestonden. Velen hebben echter de hypothese geopperd dat vóór de komst van het cellulaire leven aminozuren moeten zijn gegenereerd uit totaal verschillende voorlopers, aldehyden, in plaats van α-ketozuren, aangezien enzymen om de omzetting uit te voeren nog niet bestonden. Maar dat idee heeft geleid tot discussie over hoe en wanneer de omschakeling plaatsvond van aldehyden naar α-ketozuren als het belangrijkste ingrediënt voor het maken van aminozuren.

Na hun succes met het gebruik van cyanide om andere chemische reacties op gang te brengen, vermoedden Krishnamurthy en zijn collega's dat cyanide, zelfs zonder enzymen, ook zou kunnen helpen om α-ketozuren om te zetten in aminozuren. Omdat ze wisten dat er in een of andere vorm stikstof nodig zou zijn, voegden ze ammoniak toe - een vorm van stikstof die op de vroege aarde aanwezig zou zijn geweest. Vervolgens ontdekten ze met vallen en opstaan ​​een derde belangrijk ingrediënt:koolstofdioxide. Met dit mengsel begonnen ze al snel aminozuren te zien vormen.

"We hadden verwacht dat het vrij moeilijk zou zijn om dit uit te zoeken, en het bleek zelfs eenvoudiger dan we ons hadden voorgesteld", zegt Krishnamurthy. "Als je alleen het ketozuur, cyanide en ammoniak mengt, blijft het daar gewoon zitten. Zodra je koolstofdioxide toevoegt, zelfs sporen, neemt de reactie toe."

Omdat de nieuwe reactie relatief vergelijkbaar is met wat er tegenwoordig in cellen plaatsvindt - behalve dat ze wordt aangedreven door cyanide in plaats van een eiwit - lijkt het waarschijnlijker dat het de bron van het vroege leven is, in plaats van drastisch verschillende reacties, zeggen de onderzoekers. Het onderzoek helpt ook om twee kanten samen te brengen van een al lang bestaand debat over het belang van koolstofdioxide voor het vroege leven, waarbij geconcludeerd wordt dat koolstofdioxide de sleutel was, maar alleen in combinatie met andere moleculen.

Tijdens het bestuderen van hun chemische soep ontdekte de groep van Krishnamurthy dat een bijproduct van dezelfde reactie orotaat is, een voorloper van nucleotiden waaruit DNA en RNA bestaan. Dit suggereert dat dezelfde oersoep, onder de juiste omstandigheden, een groot aantal van de moleculen zou kunnen hebben voortgebracht die nodig zijn voor de belangrijkste elementen van het leven.

"Wat we vervolgens willen doen, is blijven onderzoeken wat voor soort chemie uit dit mengsel kan komen", zegt Krishnamurthy. "Kunnen aminozuren kleine eiwitten gaan vormen? Zou een van die eiwitten terug kunnen komen en als een enzym gaan werken om meer van deze aminozuren te maken?"

Naast Krishnamurthy zijn de auteurs van de studie, "Prebiotic Synthesis of α-Amino Acids and Orotate from α-Ketoacids Potentiates Transition to Extant Metabolic Pathways", Sunil Pulletikurti, Mahipal Yadav en Greg Springsteen. + Verder verkennen

Nieuwe rol voor cyanide in vroege aarde en zoektocht naar buitenaards leven