Die Frage, wie das Leben auf der Erde entstanden ist, haben sich die Menschen seit jeher gestellt. Während Wissenschaftler relativ zuversichtlich sind, wann es passiert ist, gibt es keine endgültige Antwort darauf, warum es passiert ist. Wie kamen Aminosäuren, die chemischen Bausteine des Lebens, vor ungefähr vier Milliarden Jahren zusammen, um die ersten Proteinmoleküle zu schaffen?
Während diese Frage noch unbeantwortet bleibt, machen Wissenschaftler neue Entdeckungen, die helfen könnten, sie einzugrenzen. Beispielsweise hat ein Forscherteam des Zentrums für chemische Evolution (CCT) des Georgia Institute of Technology kürzlich eine Studie durchgeführt, die zeigte, wie sich einige der frühesten Vorgänger des Proteinmoleküls möglicherweise spontan zu einer Kette verbunden haben.
Die Studie erschien vor kurzem in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Die Studie wurde von Dr. Moran Frenkel-Pinter von Georgia Tech geleitet und umfasste mehrere Forscher des CCT - das von der NASA und der National Science Foundation (NSF) unterstützt wird - mit Unterstützung von Dr. Luke Leman und Assistenzprofessor für Chemie an der Scripps Research, ein gemeinnütziges medizinisches Forschungsinstitut.
Seit Jahrzehnten haben Wissenschaftler Theorien darüber, wie die ersten Aminosäuren zusammengekommen sind, um Proteinmoleküle zu bilden. Leider sind alle Versuche, diese Theorien zu verifizieren, bisher gescheitert. Wie Dr. Leman erklärte:
„Wie Chemie zu einem komplexen Leben führte, ist eine der faszinierendsten Fragen, über die sich die Menschheit Gedanken gemacht hat. Es gibt viele Theorien über die Herkunft von Proteinen, aber nicht so viel experimentelle Laborunterstützung für diese Ideen. “
Für ihre Studie führte das Forscherteam ein Experiment durch, bei dem eine kleine Auswahl von Aminosäuren (Lysin, Arginin und Histidin) zusammen mit drei nicht-biologischen Konkurrenzaminosäuren platziert wurde. Die Säuren wurden dann ähnlichen Bedingungen ausgesetzt, wie sie vermutlich während des Hadean Eon (vor ca. 4 Milliarden Jahren) auf der Erde existierten.
Dies bestand darin, die ausgewählten Aminosäuren in Wasser zu geben, das Hydroxysäuren enthielt, von denen bekannt ist, dass sie Aminosäurereaktionen erleichtern und die auf der präbiotischen Erde üblich gewesen wären. Die Mischung wurde dann auf 85 ° C erhitzt °C (185 °F), was den Reaktionsprozess beschleunigte und das Wasser verdampfen ließ. Die resultierenden chemischen Reaktionen wurden dann untersucht.
Zu ihrer Überraschung bildeten sich die biologischen Aminosäuren spontan zu reinen Segmenten, die über & agr; -Amin-Gruppen miteinander verbunden waren. Diese Gruppen bestehen aus Stickstoff und Wasserstoff und sind ziemlich reaktiv. Sie sind jedoch auch Teil des Kerns von Aminosäuren, und andere Amine, die Seitenketten bilden, die sich vom Kern aus erstrecken (die in diesem Experiment verwendet wurden), sind häufig reaktiver. Frenkel-Pinter sagte:
„Es hat uns überrascht, dass diese Chemie die in Proteinen gefundene? -Amin-Verbindung begünstigte, obwohl chemische Prinzipien uns zu der Annahme geführt haben könnten, dass die Nicht-Protein-Verbindung bevorzugt wäre. Die Präferenz für die proteinartige Verknüpfung gegenüber Nicht-Protein lag bei etwa sieben zu eins. “
Eine weitere Überraschung war die Tatsache, dass die biologischen Aminosäuren die nicht-biologischen hinsichtlich der Reaktivität schlagen. Die letzteren Säuren, die heutzutage in Proteinen nicht mehr vorkommen, hatten das Potenzial, genauso gut (oder besser als) die biologischen chemisch zu reagieren. Darüber hinaus rechnete das Team damit, dass die Einbeziehung dieser Säuren den biologischen Säuren einen Lauf um ihr Geld geben und sogar zur c führen könnte
Die Reaktionen führten jedoch hauptsächlich zur Bildung von Peptiden (zwei oder mehr miteinander verbundene Aminosäurebausteine), die den heutigen Proteinen näher kamen. Insbesondere glaubten die Forscher, dass die nicht-biologischen Aminosäuren die als Lysin bekannte biologische Aminosäure übertreffen würden und dass Lysin nicht in der Lage sein würde, zuverlässig Ketten zu bilden.
In beiden Fällen lagen sie falsch und stellten stattdessen fest, dass das Lysin überwiegend in die Ketten gelangt ist, ähnlich wie es heute bei Proteinen geschieht. Daraus stellte das Team die Hypothese auf, dass sich vorgefertigte Aminosäureketten, die in lebenden Systemen nützlich sind, entwickelten, bevor das Leben einen Weg gefunden hatte, Proteine herzustellen.
Die Tatsache, dass ihr Experiment zeigte, dass biologische Aminosäuren gegenüber nicht-biologischen bevorzugt werden, könnte auch neue Erkenntnisse darüber liefern, warum nur 20 Aminosäuren in die Bildung von Leben flossen. Wissenschaftler glauben, dass während des Hadean Eon über 500 natürlich vorkommende Säuren auf der Erde vorhanden waren. Wie Loren Williams, Professor für Biochemie an der Georgia Tech, erklärt
„Unsere Idee ist, dass das Leben mit den vielen Bausteinen begann, die dort waren und eine Teilmenge davon auswählten, aber wir wissen nicht, wie viel auf der Grundlage der reinen Chemie ausgewählt wurde oder wie viele biologische Prozesse die Auswahl getroffen haben. Wenn man sich diese Studie ansieht, scheint es, dass die heutige Biologie diese frühen präbiotischen chemischen Reaktionen mehr widerspiegelt, als wir gedacht hatten. "
„In der präbiotischen Erde hätte es einen viel größeren Satz von Aminosäuren gegeben. Gibt es etwas Besonderes an diesen 20 Aminosäuren oder sind diese zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Evolution eingefroren? “ Kurz gesagt, das Experiment legt nahe, dass die Arten von Aminosäuren, die in Proteinen verwendet werden, eher miteinander verbunden sind, weil sie effizienter miteinander reagieren und nur wenige ineffiziente Nebenreaktionen aufweisen.
Kurz gesagt, das Experiment legt nahe, dass die Arten von Aminosäuren, die in Proteinen verwendet werden, eher miteinander verbunden sind, weil sie effizienter miteinander reagieren und nur wenige ineffiziente Nebenreaktionen aufweisen. Dies verleiht der Theorie, dass sich die meisten biologischen Polymere in nassen und trockenen Zyklen gebildet haben, zusätzliche Glaubwürdigkeit, was CCT-Forscher haben
Diese Theorie, die besagt, dass die ersten Proteine auf regengepeitschten Schmutzflächen oder sonnengebrannten Seeufergesteinen vorkamen, steht im Widerspruch zu der konventionelleren Erzählung, dass die Bausteine des Lebens auf seltenen und katastrophalen Ereignissen sowie mehreren Bestandteilen beruhen um aufzutauchen. Indem diese Forschung zeigt, dass es wahrscheinlich ein viel einfacherer Prozess ist, könnte sie uns einen Schritt näher bringen, um dieses uralte Rätsel zu lösen.
Es könnte auch Auswirkungen auf die Suche nach Leben jenseits der Erde haben. Wenn die Bausteine des Lebens von Natur aus reaktiv sind und sich gegenseitig anziehen, erhöht dies wahrscheinlich die Wahrscheinlichkeit, dass ähnliche chemische Reaktionen anderswo im Universum stattgefunden haben!
