Ανακαλύπτοντας στοιχεία για την προέλευση της ζωής σε μια αποξηραμένη λακούβα

Έρευνα που είδε το φως της δημοσιότητας στις 15 Ιουλίου στο περιοδικό Angewandte Chemie International Edition, αποδεικνύει ότι σημαντικά μόρια της σύγχρονης ζωής, γνωστά ως πολυπεπτίδια, μπορεί να σχηματιστούν απλώς με ανάμιξη αμινοξέων και υδροξυ-οξέων (τα οποία πιστεύεται ότι υπήρξαν μαζί, στην πρώιμη Γη) έπειτα από επεξεργασία τους σε κύκλους υγρασίας και ξηρότητας. Αυτή η απλή διαδικασία, η οποία θα μπορούσε να λάβει χώρα σε μια λακκούβα που αποξεραίνεται στον ήλιο και στη συνέχεια ξαναγεμίζει με την επόμενη βροχή, λειτουργεί επειδή οι χημικοί δεσμοί που σχηματίζονται στη μια ένωση κάνουν να σχηματιστούν πιο εύκολα οι δεσμοί στην άλλη.

Η έρευνα υποστηρίζει τη θεωρία ότι η ζωή θα μπορούσε να έχει αρχίσει στη στεριά, ίσως ακόμη και στην έρημο, όπου οι κύκλοι της νυχτερινής ψύξης και του σχηματισμού δρόσου ακολουθούνταν από τη θέρμανση και εξάτμιση της ημέρας. Μόλις 20 από αυτούς τους κύκλους ημέρας-νύχτας, υγρασίας-ξηρασίας, απαιτούνται για να σχηματίσει ένα σύμπλοκο μίγμα πολυπεπτιδίων στο εργαστήριο. Η διαδικασία επέτρεψε επίσης την κατάρρευση και επανασυναρμολόγηση των οργανικών υλικών για να σχηματίσουν τυχαίες ακολουθίες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στο σχηματισμό των πολυπεπτιδικών αλυσίδων που απαιτούνται για τη ζωή.

«Η απλότητα της χρήσης κύκλων ενυδάτωσης-αφυδάτωσης που οδηγούν στο είδος της χημείας που χρειάζεται για τη ζωή, είναι πραγματικά ελκυστική», δήλωσε ο Nicholas Hud, καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και Βιοχημείας στο Georgia Institute of Technology και διευθυντής του Κέντρου NSF για τη Χημική Εξέλιξη, η οποία υποστηρίζεται επίσης από το Πρόγραμμα Αστροβιολογίας της NASA. «Μοιάζει η ξηρά γη να παρείχε ένα πολύ ευνοϊκό περιβάλλον για να ξεκινήσει η χημεία που είναι απαραίτητη για τη ζωή».

Οι επιστήμονες που ερευνούν την προέλευση της ζωής είχαν δημιουργήσει προηγουμένως πολυπεπτίδια από αμινοξέα θερμαίνοντάς τα καλά, πέρα από το σημείο βρασμού του νερού ή με καθοδηγούμενο πολυμερισμό με ενεργές χημικές ουσίες. Αλλά οι μεν υψηλές θερμοκρασίες είναι πέρα από το σημείο στο οποίο τα περισσότερα στοιχεία, που συνδέονται με τη ζωή, θα μπορούσαν να επιβιώσουν, είναι δε αμφισβητήσιμη η ικανή διαθεσιμότητα ενεργών χημικών στην πρώιμη Γη. Ως εκ τούτου, η απλότητα των κύκλων υγρασίας-ξηρασίας καθιστά ελκυστική την εξήγηση για το πώς θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί τα πεπτίδια, πρόσθεσε ο Hud.

Η ιδέα για το συνδυασμό χημικώς παρόμοιων αμινοξέων και υδροξυλικών οξέων προήλθε από την επίδειξη ότι οι πολυεστέρες είναι εύκολο να σχηματιστούν με επαναλαμβανόμενους κύκλους ενυδάτωσης-αφυδάτωσης και το γεγονός ότι οι εστέρες ενεργοποιούνται να προσβάλουν, από την αμινομάδα των αμινοξέων. Η δυνητική σημαντικότητα αυτής της αντίδρασης στα πρώτα στάδια της ζωής υποστηρίζεται από μελέτες των μετεωριτών, οι οποίες αποκάλυψαν ότι και οι δύο ενώσεις θα μπορούσαν να είναι παρούσες στην προβιοτική Γη.

Υδροξυ-οξέα συνδυάζονται για να σχηματίσουν πολυεστέρα, που είναι περισσότερο γνωστός ως συνθετική υφαντική ίνα και αυτή η αντίδραση απαιτεί λιγότερη ενέργεια από ότι ο σχηματισμός των αμιδικών δεσμών που απαιτούνται για τη δημιουργία πεπτιδίων από αμινοξέα. Στους κύκλους υγρό-ξηρό, ο σχηματισμός πολυεστέρα συμβαίνει πρώτος, που στη συνέχεια διευκολύνει τον πιο δύσκολο σχηματισμό του πεπτιδίου, είπε ο Hud. «Οι εστερικοί σύνδεσμοι που γίνονται στον πολυεστέρα μπορεί να χρησιμεύσουν ως ένας παράγοντας ενεργοποίησης που σχηματίζεται μέσα στο διάλυμα», εξήγησε. «Κατά τη διάρκεια μιας πολύ απλής χημικής εξέλιξης, τα πολυμερή εξελίσσονται από υδροξυ-οξέα με εστερικούς συνδέσμους σε αμινοξέα με πεπτιδικούς συνδέσμους. Τα υδροξυ-οξέα σταδιακά αντικαθίστανται, μέσω των κύκλων υγρού-ξηρού, επειδή οι εστερικοί δεσμοί που τα κρατούν μαζί δεν είναι τόσο σταθεροί όσο οι πεπτιδικοί δεσμοί».

Πειραματικά, ο μεταπτυχιακός φοιτητής Sheng-Sheng Yu οδήγησε μίγματα αμινοξέων και υδροξυ-οξέων, μέσω 20 κύκλων υγρού-ξηρού, να παράγουν μόρια που είναι ένα μίγμα από πολυεστέρες και πεπτίδια, που περιέχουν περισσότερες από 14 μονάδες. Μετά από μόλις τρεις κύκλους και σε χαμηλές θερμοκρασίες όσο οι 65 βαθμοί Κελσίου, άρχισαν να σχηματίζονται πεπτίδια που αποτελούνται από δύο και τρεις μονάδες.

Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Jay Forsythe επιβεβαίωσε τις χημικές δομές χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία μάζας NMR. «Επιτρέψαμε τους πεπτιδικούς δεσμούς να σχηματιστούν επειδή οι εστερικοί δεσμοί χαμήλωσαν το ενεργειακό φράγμα που απαιτείτο να ξεπεραστεί», πρόσθεσε ο Hud. Στην πρώιμη Γη, αυτοί οι κύκλοι θα μπορούσαν να έχουν συμβεί σε 20 ημέρες και νύχτες ή ίσως πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα εάν οι κύκλοι θέρμανσης και ξήρανσης αντιστοιχούσαν σε εποχές του χρόνου.

Πέρα από να σχηματίσει εύκολα τα πολυπεπτίδια, η διαδικασία υγρό-ξηρό έχει ένα επιπλέον πλεονέκτημα. Επιτρέπει ενώσεις όπως τα πεπτίδια να είναι συχνά διασπασμένα και να τροποποιούνται, δημιουργώντας νέες δομές με τυχαία τακτοποιημένα αμινοξέα. Αυτή η ικανότητα να ανακυκλώνονται τα αμινοξέα όχι μόνο εξοικονομεί οργανικό υλικό που μπορεί να είναι σε μικρή επάρκεια στην πρώιμη γη, αλλά παρέχει επίσης τη δυνατότητα για τη δημιουργία περισσότερων χρήσιμων συνδυασμών.

Ένας συνδυασμός από υδροξυ-οξέα και αμινοξέα πιθανά να υπήρχε στο προβιοτική σούπα της πρώιμης Γης, αλλά το να αναλυθεί μια τόσο «μπερδεμένη» αντίδραση ήταν απαιτητικό, είπε ο Hud. «Οδηγηθήκαμε στην ιδέα ότι ένα μίγμα θα μπορούσε να λειτουργήσει καλύτερα από τα ξεχωριστά συστατικά», εξήγησε. «Θα μπορούσε να ήταν μπερδεμένο στην αρχή, αλλά είναι πιο εύκολο να ξεκινήσει από ότι μια τέλεια χημική αντίδραση».

Πέρα από τη βοήθεια να εξηγηθεί το πώς θα μπορούσε να έχει ξεκινήσει η ζωή, οι κύκλοι υγρού-ξηρού θα μπορούσαν επίσης να παρέχουν ένα νέο τρόπο για τη σύνθεση πολυπεπτιδίων. Οι υπάρχουσες τεχνικές παράγουν τα χημικά μέσω της γενετικής μηχανικής μικροοργανισμών ή μέσω συνθετικής οργανικής χημείας. Η επανάληψη υγρού-ξηρού θα μπορούσε να παρέχει μια απλούστερη και πιο βιώσιμη διαδικασία βασισμένη στο νερό για την παραγωγή αυτών των χημικών ουσιών.

Θα μπορούσε ακόμη αυτή η διαδικασία της διαμόρφωσης πεπτιδίων να οδηγήσει σε διαμόρφωση ακολουθιών και μαζί με την πολλαπλή επανάληψη, η οποία θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη του μεγέθους του πεπτιδίου, να οδηγήσει σε αντιδράσεις που μπορούν να γίνουν εκτός των κύκλων υγρού-ξηρού. «Το σύστημα θα μπορούσε να αρχίσει να αναπτύσσει ορισμένα καινούρια χαρακτηριστικά και ιδιότητες που θα μπορούσαν να επιτρέψουν να αυτό-πολλαπλασιαστεί», θα δηλώσει ο Ramanarayanan Krishnamurthy, μέλος της ερευνητικής ομάδας και αναπληρωτής καθηγητής της χημείας στο Scripps Research Institute.

Πηγή: Georgia Institute of Technology

Περισσότερα για την εργασία: Jay G. Forsythe, et al., “Ester-Mediated Amide Bond Formation Driven by Wet-Dry Cycles: A Possible Path to Polypeptides on the Prebiotic Earth” (Angewandte Chemie International Edition, 2015)