Spørsmålet om hvordan livet på jorden først dukket opp er et spørsmål som mennesker har stilt seg selv siden uminnelige tider. Mens forskere er relativt sikre på når det skjedde, har det ikke vært noe definitivt svar på hvorfor det gjorde det. Hvordan kom aminosyrer, de kjemiske byggesteinene i livet, sammen for omtrent fire milliarder år siden for å lage de første proteinmolekylene?
Mens dette spørsmålet fremdeles ikke besvares, gjør forskere nye funn som kan bidra til å begrense det. For eksempel gjennomførte et team av forskere fra Georgia Institute of Technology's Center for Chemical Evolution (CCT) nylig en studie som viste hvordan noen av de tidligste forgjengerne til proteinmolekylet spontant kan ha koblet seg sammen for å danne en kjede.
Studien har nylig dukket opp i Fortsettelser av National Academy of Sciences. Studien ble ledet av Dr. Moran Frenkel-Pinter fra Georgia Tech og inkluderte flere forskere fra CCT - som støttes av NASA og National Science Foundation (NSF) - med bistand fra Dr. Luke Leman, og assisterende professor i kjemi ved Scripps Research, et non-profit medisinsk forskningsinstitutt.
I flere tiår har forskere hatt teorier om hvordan de første aminosyrene kom sammen for å danne proteinmolekyler. Dessverre har alle forsøk på å verifisere disse teoriene hittil mislyktes. Som Dr. Leman forklarte:
”Hvordan kjemi førte til komplekst liv, er et av de mest fascinerende spørsmålene som menneskeheten har fundert på. Det er mange teorier om proteineres opprinnelse, men ikke så mye eksperimentell støtte for disse ideene. ”
For deres studie gjennomførte forskerteamet et eksperiment der et lite utvalg av aminosyrer (lysin, arginin og histidin) ble plassert sammen med tre ikke-biologiske konkurrerende aminosyrer. Syrene ble deretter utsatt for forhold som tilsvarer det som antas å ha eksistert på jorden under Hadean Eon (for ca. 4 milliarder år siden).
Dette besto av å legge de utvalgte aminosyrene i vann som inneholder hydroksysyrer, som er kjent for å lette aminosyrereaksjoner og ville vært vanlig på den prebiotiske jorden. Blandingen ble deretter oppvarmet til 85 ° C °C (185 °F), som fremskyndet reaksjonsprosessen og fikk vannet til å fordampe. De resulterende kjemiske reaksjoner ble deretter studert.
Til deres overraskelse dannet de biologiske aminosyrene seg spontant til pene segmenter som ble koblet sammen via a-aminogrupper. Disse gruppene er de som er laget av nitrogen og hydrogen og er ganske reaktive. Imidlertid er de også en del av kjernen i aminosyrer og andre aminer som danner sidekjeder som strekker seg fra kjernen (som ble brukt i dette eksperimentet) er ofte mer reaktive. Frenkel-Pinter sa:
"Det overrasket oss at denne kjemien favoriserte? -Amin-forbindelsen som ble funnet i proteiner, selv om kjemiske prinsipper kan ha ført til at vi tro at ikke-proteinforbindelsen ville bli foretrukket. Preferansen for den proteinlignende koblingen fremfor ikke-protein var omtrent syv til én. ”
En annen overraskelse var det faktum at de biologiske aminosyrene slår ut de ikke-biologiske i form av reaktivitet. De sistnevnte syrene, som ikke finnes i proteiner i dag, hadde potensial til å reagere kjemisk like bra (eller bedre enn) de biologiske. Dessuten forventet teamet at inkludering av disse syrene ville gi de biologiske løpene for pengene sine og til og med kunne føre til
Imidlertid resulterte reaksjonene mest i dannelsen av peptider (to eller flere aminosyrebyggesteiner knyttet sammen) som var nærmere dagens faktiske proteiner. Spesielt trodde forskerne at de ikke-biologiske aminosyrene ville utkonkurrere den biologiske aminosyren kjent som lysin og at lysin ikke ville være i stand til å danne kjeder pålitelig.
I begge tilfeller tok de feil, og fant i stedet at lysinet overveiende gikk i kjedene på en måte som det ligner det som skjer med proteiner i dag. Fra dette antok teamet at prefabrikkerte aminosyrekjeder som er nyttige i levende systemer utviklet seg før livet hadde funnet en måte å lage proteiner på.
At eksperimentet deres viste at biologiske aminosyrer er å foretrekke fremfor ikke-biologiske, kan også gi ny innsikt i hvorfor bare 20 aminosyrer gikk inn i dannelsen av liv. Forskere mener at det var over 500 naturlig forekommende syrer til stede på jorden under Hadean Eon. Som Loren Williams, professor i biokjemi ved Georgia Tech, forklarer
"Tanken vår er at livet startet med de mange byggesteinene som var der og valgte en delmengde av dem, men vi vet ikke hvor mye som ble valgt på grunnlag av ren kjemi eller hvor mye biologiske prosesser som valgte. Når vi ser på denne studien, ser det ut til at dagens biologi kan reflektere disse tidlige prebiotiske kjemiske reaksjonene mer enn vi hadde trodd. "
"På den prebiotiske jorden ville det ha vært et mye større sett med aminosyrer. Er det noe spesielt med disse 20 aminosyrene, eller ble disse frosne bare i øyeblikket av evolusjonen? ” Kort fortalt antyder eksperimentet at de typene aminosyrer som brukes i proteiner er mer sannsynlig å koble seg sammen fordi de reagerer sammen mer effektivt og har få ineffektive bivirkninger.
Kort fortalt antyder eksperimentet at de typene aminosyrer som brukes i proteiner er mer sannsynlig å koble seg sammen fordi de reagerer sammen mer effektivt og har få ineffektive bivirkninger. Det gir også mer troverdighet til teorien om at de fleste biologiske polymerer dannet i våte og tørre sykluser, noe som CCT-forskere har
Denne teorien, som sier at de første proteinene skjedde på regn-feid skittleilighet eller solbakt innsjøstrand, er i strid med den mer konvensjonelle fortellingen som livets byggesteiner er avhengige av sjeldne og kataklysmiske hendelser, samt flere ingredienser i for å dukke opp. Ved å vise at det sannsynligvis ville være en mye mer enkel prosess, kunne denne forskningen bringe oss et skritt nærmere å låse opp dette eldgamle mysteriet.
Det kan også ha konsekvenser i jakten på liv utenfor jorden. Hvis livets byggesteiner er naturlig reaktive og tiltrekkes av hverandre, øker det sannsynligvis sjansen for at lignende kjemiske reaksjoner fant sted andre steder i universet!
