Pentosen zijn essentiële koolhydraten in het metabolisme van moderne levensvormen, maar hun beschikbaarheid tijdens de vroege aarde is onduidelijk omdat deze moleculen onstabiel zijn.

Een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift JACS Au en geleid door het Earth-Life Science Institute (ELSI) van het Tokyo Institute of Technology, Japan, onthult een chemische route die compatibel is met de vroege omstandigheden op aarde en waardoor C6-aldonaten als een bron van pentosen hadden kunnen fungeren zonder de noodzaak van enzymen. Hun bevindingen geven aanwijzingen over primitieve biochemie en brengen ons dichter bij het begrijpen van de oorsprong van het leven.

Het ontstaan ​​van leven op aarde uit eenvoudige chemicaliën is een van de meest opwindende en toch uitdagende onderwerpen in de biochemie en misschien wel de hele wetenschap. Moderne levensvormen kunnen voedingsstoffen via complexe chemische netwerken in allerlei verbindingen omzetten; Bovendien kunnen ze zeer specifieke transformaties katalyseren met behulp van enzymen, waardoor ze een zeer nauwkeurige controle krijgen over welke moleculen worden geproduceerd.

Enzymen bestonden echter nog niet voordat het leven ontstond en steeds geavanceerder werd. Het is dus waarschijnlijk dat er op een eerder punt in de geschiedenis van de aarde verschillende niet-enzymatische chemische netwerken bestonden, die voedingsstoffen uit het milieu konden omzetten in verbindingen die primitieve celachtige functies ondersteunden.

De synthese van pentosen is een prominent voorbeeld van het bovenstaande scenario. Deze eenvoudige suikers, die slechts vijf koolstofatomen bevatten, zijn de fundamentele bouwstenen van RNA en andere moleculen die essentieel zijn voor het leven zoals wij dat kennen. Wetenschappers hebben verschillende manieren voorgesteld en bestudeerd waarop pentosen vóór het ontstaan ​​van het leven konden worden gegenereerd, maar de huidige theorieën roepen de vraag op:hoe kunnen pentosen zich ooit in voldoende hoeveelheden ophopen om deel te nemen aan reacties vóór het leven als deze verbindingen een extreem korte levensduur hebben?

Om deze vraag te beantwoorden heeft een onderzoeksteam onder leiding van onderzoekswetenschapper Ruiqin Yi van ELSI een onderzoek uitgevoerd om een ​​alternatieve verklaring te vinden voor de oorsprong en het aanhoudende aanbod van pentosen op de vroege aarde. Ze onderzochten een enzymvrij chemisch netwerk waarin C6-aldonaten, stabiele koolhydraten met zes koolstofatomen, zich ophopen uit verschillende prebiotische suikerbronnen en vervolgens weer worden omgezet in pentosen.

De voorgestelde chemische route begint met gluconaat, een stabiel C6-aldonaat dat op de vroege aarde mogelijk direct beschikbaar was via bekende prebiotische transformaties van basissuikers. De volgende stap is de niet-selectieve oxidatie van C6-aldonaat tot uronaat; hier betekent de term 'niet-selectief' dat het oxidatieproces geen onderscheid maakt tussen de verschillende koolstofatomen in de aldonaatstructuur, waardoor er vijf mogelijke oxidatie-resultaten overblijven.

Door middel van experimenten en theoretische analyses doken de onderzoekers diep in de verschillende oxidatieproducten om de details van het reactienetwerk te achterhalen.

Interessant genoeg ontdekten ze dat, ongeacht waar de oxidatie plaatsvindt, de resulterende uronaatverbindingen altijd een intramoleculaire transformatie kunnen ondergaan die bekend staat als 'carbonylmigratie' totdat de specifieke verbinding 3-oxouronaat wordt gevormd. Zodra deze toestand is bereikt, wordt 3-oxouronaat gemakkelijk omgezet in pentose via β-decarboxylering in aanwezigheid van H₂ O₂ en een ijzerhoudende katalysator, die beide compatibel zijn met de omstandigheden op de vroege aarde.

Nadat ze dit complexe reactienetwerk in zijn geheel hadden opgezet en getest, merkten de onderzoekers een belangrijke gelijkenis op met een moderne biochemische route.

"We hebben een niet-enzymatische synthetische route aangetoond voor suikers met vijf koolstofatomen die afhankelijk is van chemische transformaties die doen denken aan de eerste stappen van de pentosefosfaatroute, een kernroute van het metabolisme", zegt hoofdauteur Ruiqin Yi.

"Deze resultaten bewijzen dat prebiotische suikersynthese mogelijk overlappingen heeft met bestaande biochemische routes." Gegeven het feit dat suikers alomtegenwoordig zijn in het moderne metabolisme, zou het voorgestelde reactienetwerk belangrijk kunnen zijn geweest voor de opkomst van de eerste levensechte systemen.

De bevindingen van deze studie zijn belangrijk in de context van astrochemie en astrobiologie. Aldonaten werden overvloedig aangetroffen in de Murchison-meteoriet, een beroemde koolstofhoudende meteoriet die in 1969 op aarde viel.

Daarentegen waren de canonieke koolhydraten die in moderne biologische systemen worden aangetroffen, daarin afwezig. Dit impliceert dat aldonaten zich kunnen vormen en accumuleren onder buitenaardse omstandigheden, en de huidige studie suggereert dat ze een belangrijke rol zouden kunnen spelen bij het ontstaan ​​van de bouwstenen van het leven. "We hopen dat dit werk vorm zal geven aan de volgende golf van astrobiologie die zich zal concentreren op aldonaatstudies", voegt Yi toe.

In toekomstige studies zal het onderzoeksteam zich concentreren op de vraag of C6-aldonaten zich in de vroege aarde voldoende hadden kunnen ophopen om als 'voedingsstof' te fungeren voor de opkomst van protometabolisme. Hoofdonderzoeker Ruiqin Yi concludeert:"We willen beter begrijpen hoe deze aldonaten kunnen worden gegenereerd uit klassieke prebiotische suikerreacties, zoals de formose-reactie en Kiliani-Fischer-homologatie."

Opvallend is dat deze klassieke prebiotische suikerreacties niet voorkomen in het moderne metabolisme, en dus zou de voorgestelde niet-enzymatische route kunnen fungeren als een broodnodige brug tussen vroege suikers en de koolhydraten die theoretisch door de eerste levensvormen worden gebruikt.

Meer informatie: Ruiqin Yi et al, Carbonylmigratie in uronaten biedt een potentiële prebiotische route voor pentoseproductie, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00299

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology