Naukowcy są coraz bliżej rozwiązania chemicznej zagadki pochodzenia życia

Odkrycie to potwierdza pogląd, że wiele kluczowych składników życia mogło powstać wcześnie i połączyć się, tworząc żywe komórki.

„Dlaczego mamy życie? Dlaczego zasady chemii oznaczają, że życie tutaj wygląda tak, jak wygląda?” – powiedział Matthew Bowner, starszy autor książki Artykuł badawczy. To „tylko najbardziej fascynujące pytania, na jakie możemy odpowiedzieć”.

Chociaż organizmy znacznie różnią się wyglądem, składają się z tych samych podstawowych elementów chemicznych, zwanych metabolitami pierwotnymi, które są bezpośrednio zaangażowane we wzrost i rozwój komórek. Przykładami są aminokwasy, które pomagają w budowie białek i nukleotydów tworzących kwas rybonukleinowy (RNA) i DNA.

Nowy eksperyment laboratoryjny skupił się na pochodzeniu innego niezbędnego metabolitu: koenzymu A, który leży w sercu metabolizmu we wszystkich obszarach życia (jako jedna z jego wielu funkcji). Na przykład związek ten odgrywa istotną rolę w uwalnianiu energii z węglowodanów, tłuszczów i białek w organizmach potrzebujących tlenu, ale pełni także funkcje metaboliczne u form życia, które nie potrzebują tlenu, takich jak wiele bakterii.

W szczególności Pawner i jego zespół chcieli odtworzyć określoną część cząsteczki koenzymu A zwaną pantetyną. Pantetyna jest funkcjonalnym ramieniem koenzymu A i często jest transportowana, umożliwiając zachodzenie innych reakcji chemicznych w organizmie. Ten koniec nazywany jest kofaktorem i działa jak przełącznik, bez niego koenzym nie byłby użyteczny.

„Wszystkie nasze procesy metaboliczne zależą od niewielkiego podzbioru tych wspólnych czynników” – powiedział biolog Aaron Goldman, który nie był zaangażowany w badanie. „To doprowadziło badaczy do sugestii, że te same wspólne czynniki mogły poprzedzać większe, bardziej złożone enzymy podczas powstawania i wczesnej ewolucji życia”.

Niektórzy badacze sugerują, że wczesne formy życia mogły wykorzystywać pantetynę do magazynowania energii przed ewolucją większych, bardziej złożonych ogniw energetycznych, z których obecnie korzysta się, twierdzi Goldman.

Jeśli tak, pozostaje tajemnica: skąd wzięła się pantetyna?

„Nie możemy cofnąć się w czasie. Nie możemy wrócić do początków życia. Nie możemy znaleźć próbek z tego okresu” – powiedział Pawner, profesor na University College London. „Naszą jedyną możliwością jest uzyskanie sednem tego problemu jest jego rekonstrukcja i rozpoczęcie „od zera, przeprojektowanie komórki i zrozumienie, czego potrzeba do zbudowania organizmu”.

Budowa Pantethene była trudna. Powiedział, że cząsteczka jest „dziwna” według standardów biochemicznych. Bardzo przypominał strukturę peptydów (łańcuchów aminokwasów) używanych do budowy białek, ale miał kilka dziwnych właściwości — niezwykłe elementy umieszczone w dziwnych miejscach — które zdawały się nadawać mu bardziej złożoną strukturę.

Związek ten jest na tyle ciekawy, że naukowcy wcześniej sugerowali, że jest zbyt złożony, aby można go było wytworzyć z podstawowych cząsteczek. Inni próbowali bezskutecznie stworzyć panteten, wierząc, że nie istniał on nawet w początkach życia. Wielu naukowców uważało, że biologia stworzyła jego prostą wersję, która z biegiem czasu ewoluowała i stała się bardziej złożona, na przykład zbudowanie chaty, a później przekształcenie jej w pałac.

Zespół udał się jednak do laboratorium. Skupili się przede wszystkim na wykorzystaniu materiałów, które występowały powszechnie na wczesnej Ziemi, takich jak cyjanowodór i woda. Kilka pierwszych etapów reakcji trwało około jednego dnia, ale ostatni etap trwał 60 dni i była to najdłuższa reakcja, jaką kiedykolwiek przeprowadzono w laboratorium Boulder. Zespół w końcu przestał reagować, „częściowo dlatego, że się znudziliśmy” – powiedział. Ale w rezultacie było dużo pantetyny.

Sukces zespołu w porównaniu z nieudanymi badaniami prowadzonymi przez innych z wykorzystaniem związków azotowych zwanych nitrylem. Związki te zapewniły energię potrzebną do katalizowania reakcji. Bez nitrylu to tak, jakby mieć kosiarkę, ale nie ma gazu, który mógłby ją poruszyć.

„Myślę, że to bardzo zaskakujące, że nikt tego nie wypróbował. Jeśli zmieszasz je wszystkie razem, wszystkie zaczną ze sobą wzajemnie reagować” – powiedział Jasper Fairchild, doktorant na University College London, który kierował eksperymentem. O chaosie, ale ty tego nie robisz. Możesz po prostu kupić pantetynę. I dla mnie to jest bardzo piękne.”

Naukowcy stwierdzili, że na wczesnej Ziemi reakcja mogła zachodzić w małych basenach lub jeziorach wodnych. Jednak duże oceany prawdopodobnie rozrzedziły stężenie chemikaliów.

Chemik Joseph Moran, który nie był zaangażowany w badanie, powiedział: „To kolejny piękny przykład tego, jak powstają cząsteczki życia, nawet te najbardziej złożone, takie jak koenzymy”.

Prosty przepis na tak złożoną cząsteczkę mógłby na nowo wyobrazić sobie początki życia na Ziemi. Historycznie rzecz biorąc, jak mówi Pawner, naukowcy sugerowali, że cząsteczki biologiczne pojawiały się stopniowo, jakby wcześnie Świat RNA Co później doprowadziło do pojawienia się białek i innych substancji chemicznych.

Jednak nowe odkrycie pokazuje, że wiele podstawowych elementów życia mogło powstać jednocześnie z tych samych podstawowych substancji chemicznych i warunków, wytwarzając jednocześnie białka, RNA i inne składniki. W rzeczywistości w poprzednich badaniach zespołu wykorzystywano podobne warunki i reakcje do tworzenia nukleotydów (które pomagają w wytwarzaniu DNA) i peptydów (które pomagają w wytwarzaniu białek). Te podstawowe elementy mogły się połączyć, oddziaływać na siebie i ostatecznie doprowadzić do powstania życia.

Lepsze zrozumienie sposobu, w jaki te składniki tworzą się i łączą ze sobą, może pewnego dnia pomóc naukowcom w stworzeniu życia ze stabilnych materiałów w laboratorium, a nawet na innej planecie.

„Jesteśmy dalecy od tego, aby to zrobić [from scratch] „Zróbcie ul” – powiedział Pawner. „Być może nie stanie się to za mojego życia, ale jesteśmy na dobrej drodze do zrozumienia, jak te cząsteczki współpracują ze sobą”.

Ten artykuł jest częścią Ukryta planetakolumna badająca cudowną, nieoczekiwaną i dziwaczną naukę o naszej planecie i poza nią.