Pytanie o to, jak powstało życie na Ziemi, zadaje sobie człowiek od niepamiętnych czasów. Chociaż naukowcy są stosunkowo pewni, kiedy to się stało, nie ma ostatecznej odpowiedzi na pytanie, dlaczego tak się stało. W jaki sposób aminokwasy, chemiczne budulce życia, połączyły się około cztery miliardy lat temu, tworząc pierwsze cząsteczki białka?
Chociaż na to pytanie wciąż nie ma odpowiedzi, naukowcy dokonują nowych odkryć, które mogłyby pomóc je zawęzić. Na przykład zespół naukowców z Centrum Ewolucji Chemicznej Georgia Institute of Technology (CCT) niedawno przeprowadził badanie, które pokazało, jak niektórzy z najwcześniejszych poprzedników cząsteczki białka spontanicznie połączyli się, tworząc łańcuch.
Badanie pojawiło się niedawno w Postępowania z National Academy of Sciences. Badanie było prowadzone przez dr Morana Frenkela-Pintera z Georgia Tech i obejmowało wielu badaczy z CCT - wspieranych przez NASA i National Science Foundation (NSF) - z pomocą dr Luke'a Lemana i profesora chemii w Scripps Research, niekomercyjny instytut badań medycznych.
Przez dziesięciolecia naukowcy mieli teorie na temat tego, jak powstały pierwsze aminokwasy, tworząc cząsteczki białka. Niestety, jak dotąd wszystkie próby weryfikacji tych teorii nie powiodły się. Jak wyjaśnił dr Leman:
„To, w jaki sposób chemia doprowadziła do złożonego życia, jest jednym z najbardziej fascynujących pytań, jakie ludzkość rozważała. Istnieje wiele teorii na temat pochodzenia białek, ale nie ma tak dużego eksperymentalnego poparcia laboratoryjnego dla tych pomysłów. ”
W ramach badań zespół badawczy przeprowadził eksperyment, w którym niewielki wybór aminokwasów (lizyna, arginina i histydyna) został umieszczony razem z trzema niebiologicznymi konkurentami. Kwasy zostały następnie poddane warunkom podobnym do tego, co, jak się uważa, istniało na Ziemi podczas eonu Hadeana (około 4 miliardów lat temu).
Polegało to na umieszczeniu wybranych aminokwasów w wodzie zawierającej hydroksykwasy, o których wiadomo, że ułatwiają reakcje aminokwasowe i byłyby powszechne na prebiotycznej Ziemi. Następnie mieszaninę ogrzano do 85 ° C °C (185 °F), co przyspieszyło proces reakcji i spowodowało odparowanie wody. Powstałe reakcje chemiczne zostały następnie zbadane.
Ku ich zaskoczeniu biologiczne aminokwasy spontanicznie uformowały się w czyste segmenty, które łączyły się ze sobą poprzez grupy a-aminowe. Grupy te są zbudowane z azotu i wodoru i są dość reaktywne. Jednak są one również częścią rdzenia aminokwasów, a inne aminy tworzące łańcuchy boczne rozciągające się od rdzenia (które zastosowano w tym eksperymencie) są często bardziej reaktywne. Frenkel-Pinter powiedział:
„Zaskoczyło nas, że ta chemia sprzyjała wiązaniu a-aminowemu znajdowanemu w białkach, chociaż zasady chemiczne mogły doprowadzić nas do przekonania, że połączenie niebiałkowe byłoby faworyzowane. Preferowane wiązanie białko-podobne niż niebiałkowe było około siedem do jednego ”.
Kolejną niespodzianką był fakt, że aminokwasy biologiczne biją te niebiologiczne pod względem reaktywności. Te ostatnie kwasy, których obecnie nie ma w białkach, miały potencjał do chemicznej reakcji równie dobrze (lub lepiej niż) z biologicznymi. Co więcej, zespół spodziewał się, że włączenie tych kwasów zapewni biologicznym ucieczkę pieniędzy, a może nawet doprowadzić do
Jednak reakcje spowodowały głównie powstanie peptydów (dwóch lub więcej bloków budulcowych aminokwasów połączonych ze sobą), które były bliższe dzisiejszym białkom. W szczególności naukowcy sądzili, że niebiologiczne aminokwasy przewyższą aminokwas biologiczny znany jako lizyna i że lizyna nie będzie w stanie niezawodnie tworzyć łańcuchów.
W obu przypadkach byli w błędzie i zamiast tego stwierdzili, że lizyna przeszła głównie do łańcuchów w sposób podobny do tego, co dzieje się dzisiaj z białkami. Na tej podstawie zespół postawił hipotezę, że prefabrykowane łańcuchy aminokwasowe, które są przydatne w systemach żywych, ewoluowały, zanim życie znalazło sposób na wytwarzanie białek.
Fakt, że ich eksperyment wykazał, że aminokwasy biologiczne są preferowane w porównaniu z aminokwasami niebiologicznymi, może również dać nowy wgląd w to, dlaczego zaledwie 20 aminokwasów zaangażowało się w tworzenie życia. Naukowcy uważają, że podczas Eonu Hadeana na Ziemi obecnych było ponad 500 naturalnie występujących kwasów. Jak wyjaśniają Loren Williams, profesor biochemii w Georgia Tech
„Naszym pomysłem jest, aby życie zaczęło się od wielu elementów składowych, które tam były i wybrały ich podzbiór, ale nie wiemy, ile zostało wybranych na podstawie czystej chemii ani ile procesów biologicznych dokonało wybranie. Patrząc na to badanie, wydaje się, że dzisiejsza biologia może odzwierciedlać te wczesne prebiotyczne reakcje chemiczne bardziej, niż myśleliśmy ”.
„Na prebiotycznej Ziemi byłby znacznie większy zestaw aminokwasów. Czy jest coś specjalnego w tych 20 aminokwasach, czy też zamroziły się one w danym momencie przez ewolucję? ” Krótko mówiąc, eksperyment sugeruje, że rodzaje aminokwasów stosowane w białkach są bardziej skłonne do łączenia się ze sobą, ponieważ reagują one bardziej skutecznie i mają mało nieefektywnych reakcji ubocznych.
Krótko mówiąc, eksperyment sugeruje, że rodzaje aminokwasów stosowane w białkach są bardziej skłonne do łączenia się ze sobą, ponieważ reagują one bardziej skutecznie i mają mało nieefektywnych reakcji ubocznych. Nadaje to również dodatkową wiarygodność teorii, że większość polimerów biologicznych powstających w cyklach mokrych i suchych jest czymś, co badacze CCT mają
Ta teoria, w której stwierdza się, że pierwsze białka pojawiły się na zmoczonych deszczem osadach lub wypalonych słońcem skałach nad brzegiem jeziora, jest sprzeczna z bardziej konwencjonalną narracją, że budulce życia polegają na rzadkich i kataklizmicznych wydarzeniach, a także na wielu składnikach zamówienie się pojawi. Wykazując, że prawdopodobnie będzie to o wiele prostszy proces, badania te mogą przybliżyć nas o krok do odkrycia tej odwiecznej tajemnicy.
Może to również mieć wpływ na poszukiwanie życia poza Ziemią. Jeśli elementy składowe życia są naturalnie reaktywne i przyciągają się do siebie, prawdopodobnie zwiększa to prawdopodobieństwo, że podobne reakcje chemiczne zachodziły gdzie indziej we Wszechświecie!
