Jorden har inte alltid liv. Men för cirka 4 miljarder år sedan, något i miljön förändrades, och system med biologiska egenskaper började växa fram. Många forskare tror att en livlig dans av molekyler som kallas aminosyror delvis är ansvarig för skiftet:Molekyler kopplade upp, gick sönder och kom så småningom ihop till ett liv som vi känner det.

Vi kanske aldrig vet exakt hur processen fungerade, men kemister idag har gjort nya upptäckter som bygger på lovande teorier om hur livet bildades.

"Hur kemi ledde till komplexa liv är en av de mest fascinerande frågorna som mänskligheten har funderat över, "säger Luke Leman, Ph.D., biträdande professor i kemi vid Scripps Research. "Det finns många teorier om proteiners ursprung men inte så mycket experimentellt laboratoriestöd för dessa idéer."

Leman ledde nyligen en studie av själva receptet på liv på tidig jord; forskningen publiceras i Förfaranden från National Academy of Sciences . Han arbetade nära forskare vid Georgia Institute of Technology och Center for Chemical Evolution, som stöds av National Science Foundation och NASA.

"Forskningen hjälper oss att förstå hur positivt laddade peptider kunde ha bildats på den pre-biotiska jorden, "säger Moran Frenkel-Pinter, Ph.D., en postdoktor vid Georgia Tech och första författare till tidningen. Peptider bildas när två eller flera aminosyra byggstenar länkar samman, som leder till proteinerna som utgör varje organism.

Leman, Frenkel-Pinter och många andra forskare inom detta område tycker det är konstigt att varje levande varelse på vår planet bildar sina proteiner från exakt samma uppsättning av 20 aminosyror. Varför den specifika uppsättningen? Forskare vet att det finns många fler aminosyror där ute. Faktiskt, meteoriter med upp till 80 aminosyror har landat på jorden.

"I den prebiotiska jorden, det skulle ha funnits en mycket större uppsättning aminosyror, säger Leman, som också är vetenskaplig samarbetspartner vid Center for Chemical Evolution. "Är det något speciellt med dessa 20 aminosyror, eller blev dessa bara frusna ett ögonblick av evolutionen? "

Den nya studien antyder att livets beroende av dessa 20 aminosyror inte är en slump. Forskarna visar att de typer av aminosyror som används i proteiner är mer benägna att länka ihop eftersom de reagerar mer effektivt och har få ineffektiva sidreaktioner.

Detta fynd ger forskare en blick tillbaka i tiden och en arbetsmodell för att testa ytterligare teorier om livets ursprung. Att förstå hur peptider bildas är också viktigt för syntetisk kemi, där forskare strävar efter att designa nya molekyler som kan användas för läkemedelsbehandlingar och materialvetenskap.

"Detta arbete är ett verkligt steg mot att förstå varför vissa byggstenar finns i proteinerna som är viktiga för livet, "säger Kathy Covert, programdirektör vid National Science Foundation's Centers for Chemical Innovation, som samfinansierar Center for Chemical Evolution. "Genom forskning som denna, centret förverkligar sitt ambitiösa uppdrag att belysa kemikalierna i biopolymerer, en grund för allt levande. "

För experimentet, forskarna jämförde "proteinhaltiga" aminosyror - de som används av organismer idag - till aminosyror som inte finns i levande saker. Forskarna visste att vattenavdunstning kunde ha skapat de förutsättningar som behövs för att aminosyror ska kunna länka ihop på tidig jord, så de använde en torkningsreaktion - vatten avdunstar och värme appliceras - för att efterlikna de naturliga förhållanden som gör att aminosyror bildar peptider.

"Med uppvärmnings- och torkcykler, du kan bilda kedjor av aminosyror som liknar proteinstrukturer, "Säger Leman.

Deras experiment visade att proteinhaltiga aminosyror är mer benägna att spontant länka till stora "makromolekyler" utan att behöva några andra ingredienser, såsom enzymer eller aktiveringsmedel. Denna koppling är ett viktigt steg i bildandet av ett protein.

De proteinhaltiga aminosyrorna tycktes föredra reaktivitet genom en del av deras struktur som kallas alfa-aminen. De bildade mestadels linjära, proteinliknande ryggrad "topologier" (geometriska formationer). Denna tendens kunde ha gett dessa aminosyror ett försprång när det gäller vikning och bindning, leder så småningom till proteiner.

Baserat på kemin de observerade, forskarna har nu en möjlig förklaring till valet av de positivt laddade aminosyrorna som finns i dagens proteiner.

"Detta är en rent kemisk drivkraft som kunde ha lett till valet av vissa aminosyror framför andra, säger Leman.

Loren Williams, Ph.D., professor vid Georgia Tech och medledare för studien, säger att forskningen ger kemister en utgångspunkt för att förstå hur livet kunde ha börjat på tidig jord, kallas också Hadean Earth. "Vi börjar förstå hur rent kemiska processer, baserat på dem från Hadean Earth, kan producera molekyler som har överraskande likheter med biologiska polymerer, "säger Williams, som också är medlem i CCE.

Går framåt, forskarna skulle vilja undersöka hur dessa aminosyror interagerar med RNA, ingrediensen tidigt som kan ha gjort nästa steg i utvecklingen möjligt.

"Det kommer att bli intressant att lära sig hur dessa positivt laddade förfäder till proteiner samarbetar med negativt laddade molekyler som RNA, säger Frenkel-Pinter.