Исследование, опубликованное 15 июля в журнале Angewandte Chemie International Edition, демонстрирует, что важные молекулы современной жизни, известные как полипептиды, могут быть образованы простым смешиванием амино- и гидроксикислот, которые, как считается, существовали вместе на ранней Земле, а затем подвергнуты воздействию их к циклам влажных и сухих условий. Этот простой процесс, который мог происходить в луже, высыхающей на солнце, а затем превращающейся в следующий дождь, работает, потому что химические связи, образованные одним соединением, облегчают образование связей с другим.Исследования подтверждают теорию о том, что жизнь могла возникнуть на суше, возможно, даже в пустыне, где за циклами ночного похолодания и образования росы следует дневное нагревание и испарение.
Всего 20 из этих циклов «день-ночь», «влажный-сухой» были необходимы для образования сложной смеси полипептидов в лаборатории. Этот процесс также позволил разрушить и повторно собрать органические материалы с образованием случайных последовательностей, которые могли привести к образованию полипептидных цепей, необходимых для жизни.«Простота использования циклов гидратации-обезвоживания для стимулирования химии, необходимой для жизни, действительно привлекает», — сказал Николас Худ, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии и директор Центра NSF. для химической эволюции, которая также поддерживается Программой астробиологии НАСА. «Похоже, что суша была бы очень благоприятной средой для начала химии, необходимой для жизни».Ученые-исследователи происхождения жизни ранее получали полипептиды из аминокислот, нагревая их до температуры выше точки кипения воды или проводя полимеризацию с помощью активирующих химикатов.
Но высокие температуры превышают предел, при котором могла выжить большая часть жизни, и надежная доступность активирующих химикатов на ранней Земле сомнительна. Поэтому простота цикла «влажный-сухой» делает привлекательным объяснение того, как могли образовываться пептиды, добавил Хад.Идея комбинирования химически подобных аминокислот и гидроксильных кислот была вдохновлена демонстрацией того, что сложные полиэфиры легко образуются путем повторяющихся циклов гидратации-дегидратации, и тем фактом, что сложные эфиры активируются для атаки аминогруппой аминокислот. Потенциальная важность этой реакции на самых ранних этапах жизни подтверждается исследованиями метеоритов, которые показали, что оба соединения присутствовали на пребиотической Земле.
Гидроксикислоты объединяются с образованием полиэфира, более известного как синтетическое текстильное волокно, и эта реакция требует меньше энергии, чем образование амидных связей, необходимых для создания пептидов из аминокислот. По словам Хад, в циклах «влажный-сухой» сначала идет образование полиэфира, который затем способствует более сложному образованию пептидов.«Сложноэфирные связи, которые мы создаем в полиэфире, могут служить в качестве активирующего агента, образующегося в растворе», — пояснил он. «В ходе очень простой химической эволюции полимеры развиваются от гидроксикислот с сложноэфирными связями до аминокислот с пептидными связями.
Гидроксикислоты постепенно заменяются во влажном и сухом циклах, потому что сложноэфирные связи, удерживающие их вместе, не так хороши. стабильны, как пептидные связи ".В ходе экспериментов аспирант Шэн-Шэн Ю провел 20 циклов влажно-сушки для смесей амино- и гидроксикислот, чтобы получить молекулы, представляющие собой смесь сложных полиэфиров и пептидов, содержащую до 14 единиц.
Всего после трех циклов и при температуре всего 65 градусов Цельсия начали образовываться пептиды, состоящие из двух и трех единиц. Докторант Джей Форсайт подтвердил химическую структуру с помощью масс-спектрометрии ЯМР.
«Мы позволили образоваться пептидным связям, потому что сложноэфирные связи снизили энергетический барьер, который необходимо было преодолеть», — добавил Хад.На ранней Земле эти циклы могли длиться 20 дней и ночей — или, возможно, намного дольше, если бы циклы нагрева и сушки соответствовали сезонам года.
Помимо легкого образования полипептидов, мокрый-сухой способ имеет дополнительное преимущество. Это позволяет соединениям, таким как пептиды, регулярно разрушаться и преобразовываться, создавая новые структуры со случайным образом упорядоченными аминокислотами.
Эта способность перерабатывать аминокислоты не только сохраняет органический материал, который, возможно, был в дефиците на ранней Земле, но также дает возможность создавать более полезные комбинации.Комбинация гидрокси и аминокислот, вероятно, существовала в пребиотическом супе ранней Земли, но анализ такой "грязной" реакции был сложной задачей, сказал Хад. «Мы пришли к мысли, что смесь может работать лучше, чем отдельные компоненты», — пояснил он. «Возможно, вначале это было беспорядочно, но это легче начать, чем безупречная химическая реакция».Помимо объяснения того, как могла возникнуть жизнь, циклы «влажный-сухой» также могут предоставить новый способ синтеза полипептидов.
Существующие методы производят химические вещества с помощью генной инженерии микроорганизмов или с помощью синтетической органической химии. Цикл «влажный-сухой» может обеспечить более простой и устойчивый процесс на водной основе для производства этих химикатов.Демонстрация образования пептидов открывает возможность задать другие вопросы о том, как могла развиваться жизнь в пребиотические времена, сказал Раманараянан Кришнамурти, член исследовательской группы и доцент химии в Исследовательском институте Скриппса.
Будущие исследования будут включать рассмотрение сформированных последовательностей, есть ли последовательности, одобренные процессом, и какие последовательности могут получиться. В конечном итоге процесс может привести к реакциям, которые могут продолжаться без циклов «влажный-сухой».«Если бы этот процесс повторялся много раз, вы могли бы вырастить пептид, который приобрел бы каталитические свойства, потому что он достиг определенного размера и мог определенным образом складываться», — сказал Кришнамурти. «Система может начать развивать определенные эмерджентные характеристики и свойства, которые позволят ей самораспространяться».В дополнение к уже названным авторам статьи являются Ирена Мамаджанова, Марта А. Гровер и Факундо М. Фернандес, все из Технологического института Джорджии.
Это исследование было поддержано NSF и Программой астробиологии NASA в рамках Центра NSF по химической эволюции через грант номер CHE-1004570.