Hoe begon het leven? Hoe creëerden chemische reacties op de vroege aarde complexe, zichzelf replicerende structuren die zich ontwikkelden tot levende wezens zoals wij die kennen?

Volgens één denkrichting bestond er vóór het huidige tijdperk van op DNA gebaseerd leven een soort molecuul dat RNA (of ribonucleïnezuur) werd genoemd.

RNA – dat vandaag de dag nog steeds een cruciaal onderdeel van het leven is – kan zichzelf repliceren en andere chemische reacties katalyseren.

Maar RNA-moleculen zelf zijn gemaakt van kleinere componenten die ribonucleotiden worden genoemd. Hoe zouden deze bouwstenen zich op de vroege aarde hebben gevormd en vervolgens zijn samengevoegd tot RNA?

Chemici zoals ik proberen de keten van reacties na te bootsen die nodig is om RNA te vormen aan het begin van het leven, maar dat is een uitdagende taak. We weten dat welke chemische reactie dan ook die ribonucleotiden veroorzaakte, moet kunnen plaatsvinden in de rommelige, gecompliceerde omgeving die miljarden jaren geleden op onze planeet werd aangetroffen.

Ik heb onderzocht of "autokatalytische" reacties een rol kunnen hebben gespeeld. Dit zijn reacties die chemicaliën produceren die ervoor zorgen dat dezelfde reactie opnieuw plaatsvindt, wat betekent dat ze zichzelf in een breed scala van omstandigheden in stand kunnen houden.

In ons nieuwste werk gepubliceerd in Chemical Science hebben mijn collega's en ik autokatalyse geïntegreerd in een bekende chemische route voor het produceren van de bouwstenen van ribonucleotiden, wat plausibel had kunnen gebeuren met de eenvoudige moleculen en complexe omstandigheden die op de vroege aarde werden aangetroffen.

De formose-reactie

Autokatalytische reacties spelen een cruciale rol in de biologie, van het reguleren van onze hartslag tot het vormen van patronen op schelpen. In feite is de replicatie van het leven zelf, waarbij één cel voedingsstoffen en energie uit de omgeving opneemt om twee cellen te produceren, een bijzonder ingewikkeld voorbeeld van autokatalyse.

Een chemische reactie genaamd de formose-reactie, voor het eerst ontdekt in 1861, is een van de beste voorbeelden van een autokatalytische reactie die op de vroege aarde had kunnen plaatsvinden.

In wezen begint de formose-reactie met één molecuul van een eenvoudige verbinding genaamd glycolaldehyde (gemaakt van waterstof, koolstof en zuurstof) en eindigt met twee. Het mechanisme is afhankelijk van een constante aanvoer van een andere eenvoudige verbinding, formaldehyde genaamd.

Een reactie tussen glycolaldehyde en formaldehyde maakt een groter molecuul, waarbij fragmenten worden afgesplitst die terugvloeien naar de reactie en deze gaande houden. Zodra het formaldehyde echter op is, stopt de reactie en beginnen de producten af ​​te breken van complexe suikermoleculen tot teer.

De formose-reactie deelt enkele gemeenschappelijke ingrediënten met een bekende chemische route om ribonucleotiden te maken, bekend als de Powner-Sutherland-route. Tot nu toe heeft echter niemand geprobeerd de twee met elkaar in verband te brengen – met goede reden.

De formele reactie staat erom bekend dat ze 'niet-selectief' is. Dit betekent dat het veel nutteloze moleculen produceert naast de eigenlijke producten die je wilt.

Een autokatalytische wending in de route naar ribonucleotiden

In onze studie probeerden we een ander eenvoudig molecuul, cyanamide genaamd, aan de formose-reactie toe te voegen. Dit maakt het mogelijk dat sommige van de moleculen die tijdens de reactie worden gemaakt, worden "overgeheveld" om ribonucleotiden te produceren.

De reactie produceert nog steeds geen grote hoeveelheid ribonucleotide-bouwstenen. De producten die wel geproduceerd worden, zijn echter stabieler en zullen minder snel verslechteren.

Wat interessant is aan onze studie is de integratie van de formosereactie en de productie van ribonucleotiden. In eerdere onderzoeken is elk afzonderlijk onderzocht, wat weerspiegelt hoe scheikundigen gewoonlijk denken over het maken van moleculen.

Over het algemeen hebben scheikundigen de neiging complexiteit te vermijden om de kwantiteit en zuiverheid van een product te maximaliseren. Deze reductionistische benadering kan ons er echter van weerhouden dynamische interacties tussen verschillende chemische routes te onderzoeken.

Deze interacties, die overal in de echte wereld buiten het laboratorium plaatsvinden, vormen misschien wel de brug tussen chemie en biologie.

Industriële toepassingen

Autokatalyse kent ook industriële toepassingen. Wanneer je cyanamide aan de formose-reactie toevoegt, is een ander product een verbinding genaamd 2-aminooxazol, die wordt gebruikt in scheikundig onderzoek en de productie van veel farmaceutische producten.

Bij de conventionele productie van 2-aminooxazool wordt vaak gebruik gemaakt van cyanamide en glycolaldehyde, waarvan de laatste duur is. Als het kan worden gemaakt met behulp van de formose-reactie, is er slechts een kleine hoeveelheid glycolaldehyde nodig om de reactie op gang te brengen, waardoor de kosten worden verlaagd.

Ons laboratorium optimaliseert momenteel deze procedure in de hoop dat we de autokatalytische reactie kunnen manipuleren om gewone chemische reacties goedkoper en efficiënter te maken, en hun farmaceutische producten toegankelijker. Misschien zal het niet zo'n groot probleem zijn als het creëren van leven zelf, maar we denken dat het nog steeds de moeite waard kan zijn.

Meer informatie: Quoc Phuong Tran et al., Op weg naar een prebiotische synthese van chemoton-nucleotideprecursoren, aangedreven door de autokatalytische formose-reactie, Chemische Wetenschap (2023). DOI:10.1039/D3SC03185C

Journaalinformatie: Chemische Wetenschap

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.