Forskare i Strasbourg, Frankrike, har funnit att blanda två små biomolekyler, glyoxylat och pyruvat, i järn-saltrikt vatten producerar ett reaktionsnätverk som liknar livets kärnbiokemi. Denna upptäckt ger insikt i hur kemi på den tidiga jorden grundade utvecklingen av det äldsta livet. Studien publicerades i tidskriften Natur .

Forskare som undersöker livets ursprung på jorden har länge kämpat för att förklara hur livets biokemi började för över 4 miljarder år sedan. Biokemin är organiserad kring bara fem universella metaboliska prekursorer byggda från C, O och H - precis som tung trafik i en stor metropol är organiserad kring några transitknutpunkter. Varför livet använder de molekyler och kemiska reaktioner som det gör, bland otaliga alternativ, är ett fullständigt mysterium.

En grupp forskare ledda av prof Joseph Moran vid universitetet i Strasbourg har ägnat de senaste åren åt att arbeta med ursprunget till biologisk metabolism. "Tanken att biologisk metabolism hade en närbesläktad kemisk prekursor som använde liknande intermediärer och transformationer är ett attraktivt alternativ, "säger Moran. Nyligen har gruppen återskapade en rent kemisk motsvarighet till AcCoA-vägen, en uppsättning reaktioner som används av mikrober för att producera acetat (två kol) och pyruvat (tre kol) från CO ₂ . Byggföreningar som är större än tre kol från byggstenar gjorda av CO ₂ var där framstegen stannade. För att utföra sådana bedrifter, livet är beroende av komplexa enzymer och en kemisk energibärare, ATP. Men både enzymer och ATP är komplexa strukturer som inte kunde ha funnits på en livlös jord. Hur byggde då livets biokemi inför enzymer och ATP?

Moran förklarar:"Genombrottet kom från att inse att en kemisk ämnesomsättning kan ha fungerat på ett något annorlunda sätt än det fungerar i livet idag, samtidigt som helheten bevaras." Teamet blev inspirerat av den centrala rollen av en tvåkolsmetabolit, glyoxylat, i en modell som tidigare publicerats av teoretisk biolog Daniel Segrè. En annan ledtråd kom från organiska kemister Ram Krishnamurthy och Greg Springsteen, som rapporterade att pyruvat (tre kol) och glyoxylat (två kol) lätt reagerar för att bilda C-C-bindningar i vatten. Kamila Muchowska, en postdoktor i Morans team och första författare till den aktuella studien säger, "Vi blandade glyoxylat och pyruvat i varma, järnrikt vatten och märkte att det ger upphov till ett reaktionsnätverk med över 20 biologiska mellanprodukter, inklusive sådana som är så stora som sex kol. "Inte bara ökar nätverket i komplexitet över tiden, men det bryter också mellanprodukterna tillbaka till CO ₂ , precis som livet gör. "Det livliknande kemiska systemet som erhålls på detta sätt liknar begreppsmässigt funktionen av biologisk anabolism och katabolism-inga enzymer behövs, tillsätt bara järn, säger Moran.

Som en del av studien, forskarna testade vad som händer om en kvävekälla och en elektronkälla införs i systemet. "När vi lade till hydroxylamin och metalliskt järn till experimentet, reaktionsnätverket producerade fyra biologiska aminosyror, "förklarar Sreejith Varma, en medförfattare till studien. Moran säger, "Intressant, i den genetiska koden, samma fyra aminosyror har alla kodoner som börjar med G, stödjer idéer om att metabolism och den genetiska koden kan ha uppstått parallellt."

Det nyupptäckta reaktionsnätverket har så mycket gemensamt med kända biologiska cykler att teamet undrar om Krebs- och glyoxylatcyklerna kan ha haft rent kemiskt ursprung. "Vi tror att kemisk metabolism kunde ha byggt föregångare till biologiska cykler på detta sätt, innan ATP och enzymer fanns, " säger Muchowska. Strasbourg-forskarna är nu ivriga att se hur reaktionsnätverket kan förändras som svar på olika element, och om det kan leda till genetikens molekyler.