Precis som de mytiska skapelseberättelserna som skildrar världens bildning som historien om ordning från kaos, den tidiga jorden var hem för ett kaotiskt röra av organiska molekyler från vilka, på något sätt, mer komplexa biologiska strukturer som RNA och DNA uppstod.

Det fanns ingen vägledande hand för att diktera hur molekylerna i det prebiotiska röran skulle interagera för att bilda liv. Än, hade dessa molekyler bara interagerat slumpmässigt då, med all sannolikhet, att de aldrig skulle ha chansat på de rätta interaktionerna för att i slutändan leda till livet.

"Frågan är, av alla slumpmässiga möjligheter, finns det några regler som styr dessa interaktioner?" frågar Ramanarayanan Krishnamurthy, en organisk kemist vid Scripps Research Institute i Kalifornien.

Dessa regler skulle vara selektiva, leder oundvikligen till rätt interaktioner för att sätta ihop livets byggstenar. För att låsa upp hemligheterna bakom dessa regler och hur det prebiotiska röran övergick till den biologiskt ordnade livsvärlden, Krishnamurthy använder en disciplin som kallas "systemkemi, " och publicerade en artikel om ämnet i tidskriften Redovisningar för kemisk forskning som utforskar detta relativt nya sätt att förstå hur liv kom från icke-liv.

Nobelpristagaren och genetikern Jack Szostak från Harvard Medical School beskriver systemkemi som:"ett av nyheternas sätt att tänka om problemen med prebiotisk kemi." För att förstå hur systemkemi fungerar, tänk på en kolv full av kemikalie A, till vilken en annan kemikalie, B, tillsätts och som reagerar med A för att producera ytterligare två kemikalier, C och D. Eftersom ingen process är 100 procent effektiv, kolven innehåller nu kemikalier A, B, C och D. "Så nu har du ett system, " förklarar Krishnamurthy. Systemkemi betraktar systemet som en helhet och utforskar reglerna inom det systemet som styr hur varje kemikalie interagerar med de andra, och under olika förhållanden.

Än, systemkemi handlar om mer än att bara hantera system som innehåller många kemikalier, säger Szostak. "Det är en fråga om att tänka på vilka kemikalier eller förhållanden som sannolikt kommer att finnas tillgängliga och sannolikt kommer att vara till hjälp." Han citerar exemplet med fosfat, som automatiskt finns i biokemiska system på grund av sin existens i biologins nukleotidbyggstenar, och är därför till hands för att spela flera roller i livets berättelse, som att fungera som en katalysator och skydda celler från pH-förändringar.

Självklart, Att reda ut kemin i det prebiotiska röran är långt ifrån att förklara växelverkan mellan fyra kemikalier i en kolv. Den dator- och analytiska kraft som krävs för att simulera ett så komplext system var utom räckhåll för bara ett eller två år sedan. Istället, majoriteten av forskningen om livets ursprung hade tidigare fokuserat på enskilda klasser av biomolekyler, det mest lovande är RNA (ribonukleinsyra).

Ett scenario med kyckling och ägg

RNA-världsteorin, vilket är tanken att RNA fanns innan celler gjorde det, står inför en paradox. RNA gör proteiner, men proteiner utgör också RNA. "Biologer tog modern biologi och körde den baklänges för sparsamhetens skull, men de stötte sedan på problemet med vad som kom först, proteiner eller RNA?" säger Krishnamurthy

När Thomas Cech vid University of Colorado upptäckte 1981 att RNA kan katalysera reaktioner inom sig själv, problemet verkade vara löst. Över natten, RNA:s betydelse för livet förändrades. Genom att vara katalytisk, RNA kunde kickstarta annan biokemi inklusive bildandet av proteiner och var därför tvungen att komma först. Den efterföljande upptäckten att det är RNA-molekylen i en ribosom som är ansvarig för proteinsyntesen gav ytterligare tilltro till hypotesen om "RNA-världen".

RNA-världen har, dock, har fått mycket kritik på sistone, vilket Krishnamurthy anser är förtjänt. RNA kan överföra genetisk information i organismer och är gjord av kedjor av ribonukleotider. Men det finns en hake.

"Nukleotider dyker inte bara upp från kemiska blandningar, de måste göras på ett mycket definierat sätt, " säger han. "Det måste finnas en viss ordning på reaktionssekvensen. Det är inte som Stanley Millers experiment med gnistor där han satte ihop alla dessa gaser, tryckte på en knapp och "Voila!"

Systemkemi skildrar utvecklingen av RNA som en kedja av händelser som drivs av selektiva interaktioner och katalys. Ribonukleotider bildas av ribonukleosider kopplade till fosfat. En nukleosid består av en nukleobas, som är en kvävehaltig förening, bunden till en monosackarid, som är ett socker som innehåller fem kolatomer, kallas pentoser. Bland populationen av monosackarider finns fyra pentoser, bland dem ribose, som på något sätt selektivt omvandlas till ribonukleosid istället för de andra tre pentoserna.

Även om Szostak håller med om att systemkemi har kraften att stödja RNA-världsteorin, eller åtminstone förklara ursprunget till RNA, han påpekar att en oproportionerligt mycket arbete har lagts ner på att förstå hur nukleotider bildas, och inte tillräckligt med vad som händer efter det. "Det saknas fortfarande steg för att förstå hur RNA kan göras, " säger han. Så, utmaningen för systemkemin nu är att visa hur och varför vart och ett av dessa stadier inträffar.

"Att bara syntetisera en monomer av RNA som en nukleosid eller en nukleotid är inte tillräckligt för att säga att du har hittat ursprunget till RNA, " säger Krishnamurthy. "Hur sätter man ihop dessa monomerer på ett meningsfullt sätt som är självförsörjande?"

Selektionseffekten kan ske på en mängd nivåer vid skapandet av RNA. Kanske är urvalsreglerna det som avgör varför ribose, snarare än de andra tre pentoserna - xylos, lyxos eller arabinos – omvandlas till de nukleosider som används av RNA. Kanske kommer selektionseffekten när man förklarar varför fosfat föredrar att binda till ribonukleosider, snarare än några andra nukleosider. Eller, möjligen är det själva ribonukleotiderna som väljs genom att de är mer effektiva än andra nukleotider för att bilda kedjor. Vi vet inte vad svaret är än, men Krishnamurthy anser att systemkemi är det bästa verktyget för att ta reda på det.

Urvalseffekter

Vi finner urvalsregler som driver interaktioner inom kemi som ett resultat av miljöförhållanden; eller framväxande egenskaper såsom katalytisk aktivitet, självmontering och självreplikering; eller till och med som ett resultat av specifika kemiska reaktioner.

Cyanid, till exempel, tar formen av giftfria nitriler inom biokemin, länkar till kolbaserade molekyler för att bilda mer komplexa organiska molekyler. Det är också en ganska praktisk reaktant. Tillsätt cyanid till två specifika organiska föreningar som innehåller keton och karboxylsyra, kallas ketosyror och ketoalkoholer, och det producerar cyanohydriner som är viktiga föregångare till vissa aminosyror. Dock, i vatten kan cyanohydriner genomgå hydrolys och bryts ned, men om de gör det eller inte beror på vattnets pH. I en tidning publicerad i Kemi:A European Journal , Krishnamurthy, Scripps kollega Jayasudhan Yerabolu, och Georgia Institute of Technology kemist Charles Liotta fann att hydrolys sker vid ett pH på mindre än 7 för cyanohydriner som bildas av ketosyror, och ett pH högre än 7 för cyanohydriner bildade från ketoalkoholer. Därför, den långsiktiga överlevnaden av cyanohydriner är selektivt beroende på surheten eller alkaliniteten i den omgivande miljön.

Ett annat exempel som omfattar cyanid-reaktivitet involverar molekyler av oxaloacetat och alfa-ketoglutarat, som spelar en roll i citronsyracykeln (en serie energifrisättande kemiska reaktioner som utnyttjas av syre-andningsliv). I närvaro av cyanid, oxaloacetat omvandlas selektivt istället för alfa-ketoglutarat, för att bilda ett hydroxi-bärnstenssyraderivat.

"I en blandning där du kan hitta både oxaloacetat och alfa-ketoglutarat, genom att lägga till cyanid kan du selektivt omvandla den ena men inte den andra, säger Krishnamurthy.

Dessa exempel visar vad Krishnamurthy beskriver som övergången från heterogen heterogenitet (diversitet interaktioner i ett system av många molekyler) till homogen heterogenitet (väljning från olika interaktioner mellan relativt få molekyler som utgör ryggraden i livets system, såsom RNA). Med andra ord, det är uppkomsten från det prebiotiska röran av en ordnad proto-biokemi.

"Lösningen verkar vara att gå från den heterogena blandningen till vad jag kallar den homogena heterogeniteten, " säger Krishnamurthy. "Detta är vad vårt labb försöker visa som ett principbevis."

Det är en lång väg att gå ännu och Krishnamurthy rekommenderar att framsteg görs bäst med små steg när forskare utvecklar denna bottom-up-strategi för livets ursprung från det heterogena prebiotiska röran. Genom att upptäcka reaktioner och katalys som väljer rätt interaktioner mellan organiska föreningar, Syftet är att bygga upp vår förståelse för hur de grundläggande byggstenarna sätts ihop – hur, till exempel, RNA dök upp ur kaoset.

I slutändan är önskan att bygga en experimentell simulering som inkluderar hela den heterogena heterogeniteten av det prebiotiska röran i en kopia av jordens tidiga miljö, och sedan köra den simuleringen om och om igen för att se vilka selektiva interaktioner som är vanligast och om de kan upprepa livets ursprung.

"Jag är optimistisk att vi kommer att kunna utarbeta rimliga vägar för att göra biologins alla byggstenar, och för att montera dessa komponenter till enkla, primitiva celler, " säger Szostak. "Men, det finns mycket att lära innan vi kan uppnå detta ambitiösa mål."

Precis som kolven som slutade innehålla kemikalier A, B, C och D, slutprodukterna av dessa selektiva reaktioner kan börja interagera med deras källkemikalier, något som inte händer i städningen, isolerad RNA-värld som studeras i laboratoriet. Vilka nya och tidigare förbisedda lösningar väntar på att upptäckas och hur snabbt kommer babystegen att få oss till dem?

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.