Frågan om hur livet på jorden först uppstod är en som människor har frågat sig sedan urminnes tider. Medan forskare är relativt säkra på när det hände, har det inte funnits något definitivt svar på varför det gjorde det. Hur samlades aminosyror, livets kemiska byggstenar, för ungefär fyra miljarder år sedan för att skapa de första proteinmolekylerna?
Även om denna fråga fortfarande inte besvaras, gör forskare nya upptäckter som kan hjälpa till att begränsa den. Till exempel genomförde ett team av forskare från Georgia Institute of Technology Center for Chemical Evolution (CCT) nyligen en studie som visade hur några av de tidigaste föregångarna till proteinmolekylen spontant kan ha kopplats till en kedja.
Studien dök nyligen upp i Fortsättningar från National Academy of Sciences. Studien leddes av Dr. Moran Frenkel-Pinter från Georgia Tech och inkluderade flera forskare från CCT - som stöds av NASA och National Science Foundation (NSF) - med hjälp av Dr. Luke Leman och biträdande professor i kemi vid Scripps Research, ett ideellt institut för medicinsk forskning.
I decennier har forskare haft teorier om hur de första aminosyrorna samlades för att bilda proteinmolekyler. Tyvärr har alla försök att verifiera dessa teorier hittills misslyckats. Som Dr. Leman förklarade:
”Hur kemi ledde till komplexa liv är en av de mest fascinerande frågor som mänskligheten har funderat över. Det finns många teorier om proteinernas ursprung men inte så mycket experimentellt laboratoriestöd för dessa idéer. ”
För sin studie genomförde forskarteamet ett experiment där ett litet urval av aminosyror (lysin, arginin och histidin) placerades tillsammans med tre icke-biologiska konkurrerande aminosyror. Syrorna utsattes sedan för förhållanden som liknar vad som tros ha funnits på jorden under Hadean Eon (för cirka 4 miljarder år sedan).
Detta bestod av att sätta de valda aminosyrorna i vatten innehållande hydroxisyror, som är kända för att underlätta aminosyrareaktioner och skulle ha varit vanliga på den prebiotiska jorden. Blandningen upphettades sedan till 85 °C (185) °F), som påskyndade reaktionsprocessen och fick vattnet att avdunsta. De resulterande kemiska reaktionerna studerades sedan.
Till deras överraskning bildades de biologiska aminosyrorna spontant till snygga segment som kopplades samman via a-aminogrupper. Dessa grupper är de som är gjorda av kväve och väte och är ganska reaktiva. Men de är också en del av kärnan i aminosyror och andra aminer som bildar sidokedjor som sträcker sig från kärnan (som användes i detta experiment) är ofta mer reaktiva. Frenkel-Pinter sa:
”Det förvånade oss att denna kemi gynnade den? -Amin-anslutningen som finns i proteiner, även om kemiska principer kan ha fått oss att tro att den icke-proteinförbindelsen skulle gynnas. Föredraget för den proteinliknande kopplingen framför icke-proteinet var ungefär sju till en. ”
En annan överraskning var det faktum att de biologiska aminosyrorna slog ut de icke-biologiska syrorna när det gäller reaktivitet. De senare syrorna, som inte finns i proteiner idag, hade potential att kemiskt reagera lika bra (eller bättre än) de biologiska. Dessutom förutsåg teamet att införandet av dessa syror skulle ge de biologiska syrorna en löpning för sina pengar och kan till och med leda till
Reaktionerna resulterade emellertid främst i bildandet av peptider (två eller flera aminosyrabyggstenar kopplade ihop) som var närmare dagens faktiska proteiner. I synnerhet trodde forskarna att de icke-biologiska aminosyrorna skulle överträffa den biologiska aminosyran känd som lysin och att lysin inte skulle kunna bilda kedjor på ett tillförlitligt sätt.
I båda fallen var de fel och fann istället att lysinet övervägande gick in i kedjorna på ett sätt som det liknar vad som händer med proteiner idag. Från detta antog teamet att prefabricerade aminosyrakedjor som är användbara i levande system utvecklades innan livet hade hittat ett sätt att tillverka proteiner.
Det faktum att deras experiment visade att biologiska aminosyror är att föredra framför icke-biologiska sådana kan också ge ny insikt i varför bara 20 aminosyror gick in i livsbildningen. Forskare tror att det fanns över 500 naturligt förekommande syror närvarande på jorden under Hadean Eon. Som Loren Williams, professor i biokemi vid Georgia Tech, förklarar
”Vår idé är att livet började med de många byggstenarna som fanns där och valde en delmängd av dem, men vi vet inte hur mycket som valts ut på grundval av ren kemi eller hur mycket biologiska processer som valde. När vi tittar på denna studie verkar det som att dagens biologi kan spegla dessa tidiga prebiotiska kemiska reaktioner mer än vi trodde. ”
”På den prebiotiska jorden skulle det ha funnits en mycket större uppsättning aminosyror. Finns det något speciellt med dessa 20 aminosyror, eller frystes de bara i en stund i tid av evolution? ” Kort sagt antyder experimentet att de typer av aminosyror som används i proteiner är mer benägna att kopplas samman eftersom de reagerar mer effektivt och har få ineffektiva sidoreaktioner.
Kort sagt antyder experimentet att de typer av aminosyror som används i proteiner är mer benägna att kopplas samman eftersom de reagerar mer effektivt och har få ineffektiva sidoreaktioner. Det ger också mer trovärdighet till teorin att de flesta biologiska polymerer bildas i våta och torra cykler, vilket är något som CCT-forskare har
Den här teorin, som säger att de första proteinerna inträffade på regn-sopade smutslägenheter eller solbakade sjösträngar, är i strid med den mer konventionella berättelsen som livets byggstenar förlitar sig på sällsynta och kataklysmiska händelser, samt flera ingredienser i för att dyka upp. Genom att visa att det troligtvis skulle vara en mycket mer enkel process, kunde denna forskning föra oss ett steg närmare att låsa upp detta åldriga mysterium.
Det kan också få konsekvenser i sökandet efter liv bortom jorden. Om livets byggstenar är naturligt reaktiva och lockas till varandra, ökar det sannolikt chansen att liknande kemiska reaktioner ägde rum någon annanstans i universum!
