Kysymys siitä, kuinka elämä maan päällä ensin syntyi, on kysymys, jonka ihmiset ovat kysyneet itseltään jo muinaisista ajoista lähtien. Vaikka tutkijat ovat melko varmoja siitä, milloin se tapahtui, ei ole olemassa lopullista vastausta siihen, miksi se tapahtui. Kuinka aminohapot, elämän kemialliset rakennuspalikat, muodostuivat noin neljä miljardia vuotta sitten luomaan ensimmäiset proteiinimolekyylit?
Vaikka kysymykseen ei ole vielä vastattu, tutkijat tekevät uusia löytöjä, jotka voisivat auttaa supistamaan sitä. Esimerkiksi tutkijaryhmä Georgian teknologiainstituutin kemiallisen evoluution keskuksesta (CCT) teki äskettäin tutkimuksen, joka osoitti, kuinka jotkut varhaisimmista proteiinimolekyylin edeltäjistä ovat olleet spontaanisti yhteydessä toisiinsa ketjun muodostamiseksi.
Tutkimus ilmestyi äskettäin Kansallisen tiedeakatemian julkaisut. Tutkimusta johti Dr. Moran Frenkel-Pinter Georgia Techistä. Tutkimukseen osallistui useita tutkijoita CCT: stä - jota tukevat NASA ja Kansallinen tiedesäätiö (NSF) - tohtori Dr. Luke Lemanin ja kemian apulaisprofessorin avulla Scripps Research, voittoa tavoittelematon lääketieteellinen tutkimuslaitos.
Vuosikymmenien ajan tutkijoilla on ollut teorioita siitä, kuinka ensimmäiset aminohapot yhdistyivät proteiinimolekyylien muodostamiseksi. Valitettavasti kaikki yritykset näiden teorioiden todentamiseksi ovat toistaiseksi epäonnistuneet. Kuten tohtori Leman selitti:
”Miten kemia johti monimutkaiseen elämään, on yksi mielenkiintoisimmista kysymyksistä, joita ihmiskunta on pohtinut. Proteiinien alkuperästä on paljon teorioita, mutta näiden ideoiden kokeellinen laboratoriotuki ei ole niin suuri. ”
Tutkimusryhmänsä suoritti tutkimustaan kokeilun, jossa pieni valikoima aminohappoja (lysiini, arginiini ja histidiini) sijoitettiin yhdessä kolmen ei-biologisen kilpailevan aminohapon kanssa. Sitten hapot altistettiin olosuhteille, jotka olivat samanlaisia kuin mitä uskotaan olevan olemassa maan päällä Hadean Eonin aikana (noin 4 miljardia vuotta sitten).
Tämä koostui valittujen aminohappojen sijoittamisesta veteen, joka sisälsi hydroksihappoja, joiden tiedetään helpottavan aminohapporeaktioita ja jotka olisivat olleet yleisiä prebioottisella maapallolla. Sitten seos kuumennettiin 85 ° C: seen °C (185 °F), joka nopeutti reaktioprosessia ja aiheutti veden haihtumisen. Saatua kemiallista reaktiota tutkittiin sitten.
Yllätyksekseen biologiset aminohapot muodostuivat spontaanisti siistiksi segmenteiksi, jotka yhdistyivät toisiinsa P-amiiniryhmien kautta. Nämä ryhmät ovat sellaisia, jotka koostuvat typestä ja vedystä ja ovat melko reaktiivisia. Ne ovat kuitenkin myös osa aminohappojen ydintä ja muut amiinit, jotka muodostavat ytimestä ulottuvat sivuketjut (joita käytettiin tässä kokeessa), ovat usein reaktiivisempia. Frenkel-Pinter sanoi:
”Se yllättyi meistä siitä, että tämä kemia suosii proteiineissa havaittua a-amiini-yhteyttä, vaikka kemialliset periaatteet olisivat saattaneet meidät uskoa, että ei-proteiini-yhteys olisi suotuisa. Etusija proteiinin kaltaiselle sidokselle ei-proteiiniin nähden oli noin seitsemän yhdelle. "
Toinen yllätys oli se, että biologiset aminohapot voittivat reaktiivisuuden suhteen ei-biologiset hapot. Jälkimmäisillä hapoilla, joita ei löydy nykyään proteiineista, oli kyky reagoida kemiallisesti yhtä hyvin (tai paremmin kuin) biologisia. Lisäksi joukkue odotti, että näiden happojen sisällyttäminen antaisi biologisille hajoajille rahojaan ja saattaa johtaa jopa kemiallisten
Reaktiot kuitenkin johtivat pääosin peptidien (kahden tai useamman toisiinsa kytketyn aminohapon rakennuspalikoiden) muodostumiseen, jotka olivat lähempänä nykyisiä proteiineja. Erityisesti tutkijoiden mielestä ei-biologiset aminohapot olisivat kilpailukykyisempiä lysiiniksi kutsutun biologisen aminohapon kanssa ja että lysiini ei kykenisi muodostamaan ketjuja luotettavasti.
Molemmissa tapauksissa he olivat väärässä ja havaitsivat sen sijaan, että lysiini meni pääosin ketjuihin tavalla, joka on samanlainen kuin mitä nykyään tapahtuu proteiineilla. Tästä lähtien ryhmä hypoteesi, että esivalmistetut aminohappoketjut, jotka ovat hyödyllisiä elävissä järjestelmissä, kehittyivät ennen kuin elämä oli löytänyt tavan tehdä proteiineja.
Se tosiasia, että heidän kokeilu osoitti, että biologiset aminohapot ovat edullisempia kuin ei-biologiset, voivat myös tarjota uuden käsityksen siitä, miksi vain 20 aminohappoa meni elämän muodostukseen. Tutkijoiden mielestä Hadean Eonin aikana maapallolla oli yli 500 luonnossa esiintyvää happoa. Kuten Georgian tekniikan biokemian professori Loren Williams selittää
”Ajatuksenamme on, että elämä alkoi monista olemassa olevista rakennuspalikoista ja valitsi niistä osajoukon, mutta emme tiedä kuinka paljon valittiin puhtaan kemian perusteella tai kuinka paljon biologiset prosessit valitsivat. Tätä tutkimusta tarkasteltaessa näyttää siltä, että nykypäivän biologia saattaa heijastaa näitä varhaisia prebioottisia kemiallisia reaktioita enemmän kuin olimme ajatelleet. "
Prebioottisessa maassa aminohappojen joukko olisi ollut paljon suurempi. Onko näissä 20 aminohapossa jotain erityistä, vai ovatko nämä vain jäätyneet evoluution aikana? ” Lyhyesti sanottuna, kokeilu ehdottaa, että proteiineissa käytetyt aminohapotyypit linkittyvät todennäköisemmin toisiinsa, koska ne reagoivat yhdessä tehokkaammin ja niillä on vähän tehottomia sivureaktioita.
Lyhyesti sanottuna, kokeilu ehdottaa, että proteiineissa käytetyt aminohapotyypit linkittyvät todennäköisemmin toisiinsa, koska ne reagoivat yhdessä tehokkaammin ja niillä on vähän tehottomia sivureaktioita. Se lisää myös uskottavuutta teoriaan, jonka mukaan suurin osa biologisista polymeereistä muodostui märissä ja kuivissa jaksoissa, mikä on asia, jota CCT: n tutkijoilla on
Tämä teoria, jonka mukaan ensimmäiset proteiinit esiintyivät sateen pyyhkäisemillä likakerroilla tai aurinkoa paistettuilla järvenrannan kivillä, on ristiriidassa tavanomaisemman kertomuksen kanssa, jonka mukaan elämän rakennuspalikat tukeutuvat harvinaisiin ja kataklysmiinisiin tapahtumiin sekä moniin aineosiin määräys ilmaantua. Näyttämällä, että se oli todennäköisesti paljon yksinkertaisempi prosessi, tämä tutkimus saattoi viedä meidät askeleen lähemmäksi tämän ikivanhan mysteerin avaamista.
Sillä voi olla vaikutuksia myös elämän etsimiseen maan ulkopuolella. Jos elämän rakennuspalikat ovat luonnostaan reaktiivisia ja houkuttelevat toisiaan, niin se todennäköisesti lisää todennäköisyyttä, että vastaavat kemialliset reaktiot tapahtuivat muualla maailmankaikkeudessa!
