Cyanosulfid-Protometabolismus - der richtige Weg zum irdischen Leben • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Chemie, Biochemie, Geochemie, Molekularbiologie

Cyanosulfid-Protometabolismus – der richtige Weg zum irdischen Leben

Abb. 1. Wir haben keine materiellen Beweise für verbliebene Katharhea, aber Logik und Experimente helfen, diese junge Welt zu repräsentieren. Bild von the-scientist.com

Der Welt der RNA ging die Zeit der präbiologischen Synthese voraus, als Moleküle, Nukleotide, Proteine ​​und Lipide, die irgendwie für die Replikation benötigt wurden, geboren wurden. Zuvor haben Chemiker die Prozesse ihrer Synthese getrennt betrachtet. Jetzt im Labor von John Sutherland einen Weg gefunden, der zur Synthese einer großen Menge biologischer Moleküle führt. Es gibt keine Notwendigkeit zu erraten, was vorher passiert ist, RNA oder Proteine, sie wurden wahrscheinlich gleichzeitig in einer einzigen Kaskade von chemischen Reaktionen synthetisiert; Zu Beginn erscheint Cyanwasserstoff und Schwefelwasserstoff mit Metallkatalysatoren. Die Autoren nannten dieses Netzwerk von Reaktionen Cyanosulfid-Protometabolismus. Mit der Veröffentlichung einer neuen Studie kann man von einem Wendepunkt in der Wissenschaft vom Ursprung des Lebens sprechen.

John Sutherland (John Sutherland) mit einem Team vom Laboratorium für Molekularbiologie des Forschungsrats für Medizin an der Universität von Cambridge (UK) setzte seine aufregende Studie über die ersten Stadien der Geburt des Lebens – das Auftreten biologischer Moleküle auf unserem Planeten – fort.Vor etwa fünf Jahren beschrieben sie eine einfache Art der Synthese von Pyrimidin-Nukleotiden, die aus einfachen Substanzen nicht erhalten werden konnten (siehe: Die Chemiker überwanden das Haupthindernis für die abiogene Synthese von RNA, Elements, 18. Mai 2009). Dies erforderte das Erhitzen von Stickstoffbasen (Cyanamid) zusammen mit Zucker (Glycolaldehyd) und Cyanoacetylen in Gegenwart von Phosphorsäure und unter UV-Bestrahlung. Als Ergebnis werden Pyrimidin-Ribonucleotide, Cytidin und Uridin, auf wundersame Weise erhalten, obwohl dies für Chemiker ziemlich verständlich ist. Und gleichzeitig mit einer hohen Endproduktausbeute in einer Form, die praktisch frei von Verunreinigungen ist, da andere Nebenprodukte der Reaktionen gegenüber ultravioletter Strahlung instabil sind (in Fig. 2a ist dieser Teil der präbiologischen Chemie durch blaue Pfeile gezeigt).

Jeder, der sich für die frühe Entwicklung des Lebens engagiert und interessiert, kam zur Freude. Unter den emotionalen Zustimmungen klangen ganz vernünftige Fragen: Wo könnte Glykolaldehyd in großen Mengen auf der frühen Erde herkommen? – Aber es ist keine einfache Sache. Drei Jahre lang konnte das Sutherland-Team dieses Problem lösen (D. Ritson & J. D. Sutherland, 2012).Präbiotische Synthese von Einfachzuckern durch Photoredoxsystemchemie – und wieder elegant und bezahlbar. Chemiker synthetisierten Glycolaldehyd und Glyceraldehyd aus Cyanwasserstoff; Die Reaktion läuft in Gegenwart von Schwefelwasserstoff und zweiwertigem Kupfer ab. Aber was war die Freude der Wissenschaftler, als sie als Nebenprodukte (!) Der Reaktionen dieser Synthese α-Aminonitril, die Vorstufe der Aminosäuren Glycin, Serin, Alanin und Threonin (D. Ritson & JD Sutherland, 2013) entdeckten (D. Ritson & JD Sutherland, 2013). Synthese von Aldehydischen Ribonukleotiden und Aminosäuren Vorläufer der Photoredoxchemie). In Abb. In 2a ist dieser Pfad durch grüne Pfeile dargestellt.

Abb. 2 Ein Reaktionsschema, in dem die Synthese von Pyrimidinen, Aminosäuren und Lipiden miteinander verbunden ist. Die Synthese von Cytidinen und Uridinen ist gezeigt. blaue Pfeile in der blauer Block (a), grüne Pfeile in der blauer Block Synthese von Zuckern (Glycolaldehyd) aus Cyanwasserstoff ist gezeigt; rosa und beige Blöcke (c und d) zeigt einen Teil der Reaktionen, bei denen unter Beteiligung von Cu (I) oder Schwefelwasserstoff und Cu (II) die Synthese von Aminosäuren erfolgt; grüner Block (b) zeigt einen Teil der Reaktionen, bei denen Lipidvorläufer und Aminosäuren synthetisiert werden. Schema des Artikels zur Diskussion in Natur Chemie

Natürlich war es unmöglich zu stoppen: Es ist klar, dass das entdeckte Netzwerk der Reaktionen die Goldmine der präbiologischen Synthese ist.Und das gleiche geflügelte Team begann, die Produkte der Reaktionen in einer Mischung aus Cyanwasserstoff, Schwefelwasserstoff, Phosphaten und verschiedenen zweiwertigen Metallen genauer zu untersuchen.

Zunächst wurde beschlossen, die Umwandlung von Glyceraldehyd in Phosphatpuffer näher zu betrachten – theoretisch sollte ein stabileres Drei-Kohlenstoff-Isomer erhalten werden. Tatsächlich wurde gefunden: Glyceraldehyd wurde allmählich, aber mit einer guten Ausbeute des Produkts (59%) in Dihydroxyaceton umgewandelt. Und das wiederum wird in Gegenwart von Schwefelwasserstoff im Licht in Aceton und Glycerin gespalten. Nach dem Erhalt dieser Substanzen riechen die Chemiker einen Sieg – nur noch ein bisschen vor der Lipidsynthese. Und wenn die resultierende Mischung mit einem Katalysator (Zink) erhitzt wird (und wir erinnern uns, dass das Verfahren in Phosphatpuffer geht), dann wird der Kolben Glycerol-1-Phosphat und Glycerol-2-Phosphat – Vorläufer von Lipiden enthalten. Die Ausbeute dieser Produkte war beeindruckend: insgesamt 71%. Und wenn Sie zwischen Beleuchtung und Dunkelheit wechseln, dann treten nacheinander (als angenehmer Zusatz) Reaktionen von Aceton zu Aminosäuren, Valin und Leucin, auf.

Dann stellte sich heraus, dass Cyanwasserstoff und Acetylen in Gegenwart verschiedener Kupferverbindungen und Schwefelwasserstoff auch synthetisiert werden könnenAminosäuren Arginin, Prolin, Asparagin, Aspartat, Glutamin und Glutamat. Und Cyanoacetylen ist übrigens das notwendige Produkt der Umwandlung von Cyanwasserstoff zu Aminosäuren in Gegenwart von zweiwertigem Kupfer, das für die Synthese von Pyrimidinen benötigt wurde.

Dies ist die echte primäre Brühe, oder, wenn Sie so wollen, eine hypothetische warme Pfütze! John Sutherland und seine Kollegen stellen sich jetzt dieses älteste lebensspendende Reservoir viel klarer vor als jeder andere. Dieser warme Pool ist mit realistischen chemischen Details bewachsen. Chemiker stellten es in die Zeit der Katharchea, als unser Planet die Hauptlast des späten Meteoritenbombardements erlebte. So könnte es passieren.

Bei Kollisionen wurde das kohlenstoffhaltige Material der Meteoriten mit Luftstickstoff kombiniert, und als Ergebnis dieser Hochtemperaturreaktion wurde Cyanwasserstoff synthetisiert. Aus meteorischem Schreiberzit, Eisen-Nickel-Phosphid, wurden Phosphate bei hochenergetischen Ereignissen erzeugt. In Gegenwart von Wasser (hier ist es – eine warme Pfütze!) Cyanwasserstoff gelöst und kombiniert mit Eisen, ein Ferrocyanid zu bilden.Chloride, lösliche Verbindungen von Natrium, Kalium, Kalzium – alles, was die junge Erde im Wohlstand hatte – wurden abgewaschen. Als die Pfütze verdampfte und aufgrund der hohen Temperatur auf der Planetenoberfläche und des Meteoritenbeschusses verdampfen musste, erhitzte sich das Ferrocyanid und bildete mit Kalium, Natrium und Kalzium die entsprechenden Cyanide, Kohlenstoff und Carbide. Diese Schicht aus festen Salzen ist äußerst vielversprechend, da sie, wenn sie gelöst und erhitzt werden, eine Reihe von Bestandteilen erhalten, die für das "Leben" notwendig sind: Cyanwasserstoff, Cyanamid, Acetylen. Letzteres wird durch Auflösen von Calciumcarbid in Wasser gebildet. Phosphate und Schwefelwasserstoff sind gebunden.

Damit die Brühe zubereitet werden konnte, musste unsere Pfütze regelmäßig trocknen und sich wieder mit Wasser füllen, regelmäßig mit Licht beleuchtet werden und zeitweise in die Dunkelheit tauchen. Und dann könnte die Synthese aller notwendigen biologischen Moleküle auf einmal weitergehen: Nukleotide, Aminosäuren, Lipide. Wissenschaftler haben ein vernetztes Netzwerk von Reaktionen vorgeschlagen, und wenn der Start gegeben wird, dann wird die Ausgabe der gesamte Satz sein. Und es ist nicht nötig zu erraten, was vorher passiert ist – Aminosäuren und Proteine ​​oder Zucker mit Ribonukleotiden.Alles war sofort. Eine warme Pfütze ist ein heißes und trocknendes Reservoir, das mit Blausäure und Schwefelwasserstoff gefüllt ist und von hartem UV-Licht beleuchtet wird: Willkommen, Leben!

Chemiker haben noch immer große Mühe, alle Knoten dieses chemischen Netzwerks zu lösen, aber die Hauptsache ist, dass zwischen einfachen organischen Molekülen und Lebensmolekülen keine Lücke mehr besteht. Jetzt gibt es eine Brücke, die Chemiker Cyanosulfid-Protometabolismus genannt haben. Wahrscheinlich wird dieser Begriff sehr bald modisch, gefragt und sehr bedeutungsvoll sein.

Quelle: Bhavesh H. Patel, Claudia Percivalle, Dougal J. Ritson, Colm D. Duffy und John D. Sutherland. Häufige Ursprünge von RNA-, Protein- und Lipidvorläufern in einem cyanosulfidischen Protometabolismus // Natur Chemie. Veröffentlicht am 16. März 2015. DOI: 10.1038 / NCHEM.2202.

Elena Naimark


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