Χημεία της Ζωής: Επιστήμονες βρήκαν εν δυνάμει «ελλείποντα σύνδεσμο» στις χημικές διεργασίες που οδηγούν στην εμφάνιση της ζωής στη Γη

Χημικοί στο The Scripps Research Institute (TSRI) έχουν βρει μια ένωση που μπορεί να είναι ένας κρίσιμος παράγοντας για την προέλευση της ζωής στη Γη. Οι ερευνητές της προέλευσης της ζωής έχουν υποθέσει ότι μια χημική αντίδραση που αποκαλείται φωσφορυλίωση μπορεί να είναι κρίσιμη για τη σύνθεση των τριών βασικών συστατικών των πρώιμων μορφών ζωής: βραχείες σειρές νουκλεοτίδων για να αποθηκεύουν γενετικές πληροφορίες, μικρές αλυσίδες αμινοξέων (πεπτίδια) για να κάνουν το κύριο έργο των κυττάρων και λιπίδια για να διαμορφώνουν δομές ενθυλάκωσης, όπως τα τοιχώματα του κυττάρου. Όμως, μέχρι σήμερα κανείς δεν έχει βρει έναν παράγοντα φωσφορυλίωσης που είχε προφανή παρουσία στην πρώιμη Γη και θα μπορούσε να έχει παραγάγει αυτές τις τρεις τάξεις μορίων δίπλα-δίπλα κάτω από τις ίδιες πραγματικές συνθήκες.

Οι χημικοί στο TSRI έχουν τώρα προσδιορίσει μια τέτοια ακριβώς σύνθεση: την διαμιδοφωσφάτη (DAP) [η δομή του μορίου στην μικρή εικόνα]. «Προτείνουμε μια χημεία φωσφορυλίωσης που θα μπορούσε να έχει προκαλέσει, όλα στο ίδιο χώρο, ολιγονουκλεοτίδια(1), ολιγοπεπτίδια (2) και δομές όμοιες με κύτταρο για να τα ενθυλακώσει», είπε ο κύριος συγγραφέας της μελέτης Ramanarayanan Krishnamurthy, αναπληρωτής καθηγητής χημείας στο TSRI. «Αυτό στην συνέχεια θα επέτρεπε άλλες χημικές διεργασίες που δεν ήταν δυνατές προηγουμένως, δυνητικά οδηγώντας στις πρώτες απλές ζώσες οντότητες που βασίζονται στο κύτταρο». Η μελέτη, που αναφέρεται στο Nature Chemistry, είναι μέρος μιας εν εξελίξει προσπάθειας από τους επιστήμονες σε όλο τον κόσμο να βρουν αξιόπιστες διαδρομές για το επικό ταξίδι από την προ-βιολογική χημεία στη βιοχημεία με βάση το κύτταρο.

Άλλοι ερευνητές έχουν περιγράψει τις χημικές αντιδράσεις που μπορεί να έχουν ενεργοποιήσει τη φωσφορυλίωση των προ-βιολογικών μορίων στην πρώιμη Γη. Όμως τα σενάρια αυτά εμπλέκουν διαφορετικούς παράγοντες φωσφορυλίωσης για διαφορετικούς τύπους μορίων, καθώς και διαφορετικά και συχνά ασυνήθιστα περιβάλλοντα αντιδράσεων. «Είναι δύσκολο να φανταστούμε πώς αυτές οι πολύ διαφορετικές διεργασίες θα μπορούσαν να έχουν συνδυαστεί στο ίδιο μέρος για να αποδώσουν τις πρώτες αρχέγονες μορφές ζωής», είπε ο Krishnamurthy. Αυτός και η ομάδα του έδειξαν για πρώτη φορά ότι η DAP θα μπορούσε να προκαλέσει φωσφορυλίωση σε καθένα από τα τέσσερα νουκλεοσιδικά δομικά στοιχεία του RNA στο νερό ή σε μια κατάσταση όμοια με πολτό, κάτω από ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και άλλων συνθηκών.

Με την προσθήκη ως καταλύτη του ιμιδαζολίου, μιας απλής οργανικής ένωσης που έχει η ίδια προφανώς παρουσία στην πρώιμη Γη, η δραστηριότητα της DAP οδήγησε επίσης στην εμφάνιση της βραχείας – όμοιας με του RNA – αλυσίδας αυτού του δομικού στοιχείου που υπέστη φωσφορυλίωση. Ακόμη, η DAP με νερό και ιμιδαζόλιο, φωσφορυλίωσε αποτελεσματικά τα λιπιδικά δομικά στοιχεία γλυκερόλη και λιπαρά οξέα, οδηγώντας σε αυτοσυγκρότηση μικρών φωσφολιπιδικών κάψουλων που αποκαλούνται κυστίδια, τις πρώιμες εκδοχές των κυττάρων. Η DAP στο νερό σε θερμοκρασία δωματίου επίσης φωσφορυλίασε τα αμινοξέα γλυκίνη, ασπαρτικό οξύ και γλουταμινικό οξύ και μετά βοήθησε τη σύνδεση αυτών των μορίων σε βραχείες πεπτιδικές αλυσίδες (τα πεπτίδια είναι οι μικρότερες εκδοχές των πρωτεϊνών).

«Με DAP και νερό και αυτές τις ήπιες συνθήκες, μπορείς να κάνεις αυτές τις τρεις σημαντικές τάξεις των προ-βιολογικών μορίων να βρεθούν μαζί και να μετασχηματιστούν, δημιουργώντας για αυτά την ευκαιρία να αλληλεπιδράσουν», σημείωσε ο Krishnamurthy. Αυτός και οι συνάδελφοί του έχουν δείξει προηγουμένως ότι η DAP μπορεί να φωσφορυλιώσει αποτελεσματικά μια ποικιλία απλών σακχάρων και έτσι βοηθά στην οικοδόμηση υδατανθράκων που περιέχουν φώσφορο που θα μπορούσαν να έχουν εμπλακεί στις πρώιμες μορφές ζωής. Η νέα εργασία τους υποδεικνύει ότι η DAP θα μπορούσε να είχε ένα πολύ πιο κεντρικό ρόλο στην προέλευση της ζωής.

Ο Krishnamurthy τώρα σχεδιάζει να ακολουθήσει μια σειρά από στοιχεία που έχει εντοπίσει και να συνεργαστεί επίσης με γεωφυσικούς της πρώιμης Γης για να προσπαθήσουν να προσδιορίσουν δυνητικές πηγές της DAP ή ενώσεις φωσφόρου-αζώτου που λειτουργούν παρόμοια, που υπήρχαν στον πλανήτη πριν αναδυθεί η ζωή.

Πηγή: The Scripps Research Institute (TSRI)

Περισσότερα στη δημοσίευση: Phosphorylation, oligomerization and self-assembly in water under potential prebiotic conditions. Nature Chemistry.

Σημειώσεις:

(1) Στη βιοχημεία, ο όρος ολιγονουκλεοτίδιο – ή, ανεπίσημα, «oligo» (στα αγγλικά) – χρησιμοποιείται για μικρά, μονόκλωνα τμήματα νουκλεϊκού οξέος, όπως DNA ή RNA, ή παρόμοια τμήματα ανάλογων νουκλεϊκών οξέων.

(2) Τα πεπτίδια είναι οργανικές ενώσεις, μικρά τμήματα πρωτεϊνών που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα αμινοξέα- οι αλυσίδες αμινοξέων είναι τα δομικά υλικά των πρωτεϊνών του οργανισμού. Ανάλογα με τη μορφή – από τον αριθμό αμινοξέων που περιέχουν διακρίνονται σε ολιγοπεπτίδια (δι-τρι-πεντα-εξαπεπτίδια κλπ) και πολυπεπτίδια.