Att avslöja hur de första biologiska molekylerna (som proteiner och DNA) uppstod är ett stort mål för forskare som försöker lösa livets ursprung. I dag, kemister vid Saint Louis University, i samarbete med forskare vid College of Charleston och NSF/NASA Center for Chemical Evolution, publicerade en studie i tidskriften Naturkommunikation som föreslår delikenserande mineraler - som löses upp i vatten som de absorberar från fuktig luft - kan hjälpa till att bygga proteiner från enklare byggstenar under cykler som är tidtagna att efterlikna dag och natt på den tidiga jorden.

"När det gäller planetens historia, hur livet uppstod är förmodligen den största vetenskapliga frågan vi kan ställa, "sa Paul Bracher, Ph.D., biträdande professor i kemi vid Saint Louis University och huvudutredare av studien. "En viktig del av denna stora utmaning är att ta reda på hur stora polymermolekyler vi vet är viktiga för livet kunde ha bildats innan alla våra biologiska maskiner utvecklades för att göra dem."

Baka proteiner i det prebiotiska köket

Aminosyror är de molekylära byggstenarna som är kopplade samman av peptidbindningar för att bilda proteiner. Kemister har länge vetat att helt enkelt baka blandningar av aminosyror till torrhet kommer att leda till bildandet av peptidbindningar. Utbytet av peptider förbättras när vatten tillsätts och provet torkas igen, efter att ingredienserna fått blanda om. Att utsätta aminosyror för upprepade våt-torra cykler kunde ha varit ett bra recept för att tillaga peptider och proteiner på den tidiga jorden, som varma soliga dagar avbrutna av enstaka regnskur verkar som rimliga vädermönster. Men en stor kritik av denna process är dess beroende av oförutsägbara stormar som kan ha vattnat ner ingredienserna till överskott.

Vatten:En nödvändig men problematisk ingrediens

"Följ vattnet" har varit NASA:s motto i sökandet efter liv utanför vår planet. Utan vatten, livets biokemi som-vi-vet-det skulle vara omöjligt.

I livets ursprungskemi, lösningen är ofta problemet. För att konstruktiva kemiska processer ska ske, byggstenarna måste lösas upp i en flytande lösning för att hitta partners att reagera. På jorden, detta medium är vatten, livets lösningsmedel.

Dock, vatten kan vara ett tveeggat svärd. Medan livet behöver vatten för att överleva, för mycket vatten kan vara destruktivt. De flesta biologiska molekyler är benägna att hydrolysera, en process där vatten bryter isär kemiska bindningar. Och för mycket vatten kommer så småningom att översvämma utvecklande celler som innehåller de utvecklande biomolekylerna, sträcka dem för långt ifrån varandra för att reagera.

En nypa salt

Delikatesserande mineraler erbjuder ett sätt att ta steget över gränserna för traditionell våt-torr cykling. Dessa salter absorberar en begränsad mängd vatten från luften, baserat på den relativa luftfuktigheten, erbjuder naturlig reglering av vattnet i en lösning.

Den nya studien - ett samarbete mellan forskare vid SLU och College of Charleston - rapporterar hur läckra salter kan hjälpa till att göra peptider från den enklaste aminosyran, glycin, under självreglering, upprepa våt-torr cykling. Under dagen, reaktionsblandningarna bildar peptider när de avdunstar till torrhet vid höga temperaturer. På natten, reaktionerna hämtar vatten från atmosfären för att bilda vattenhaltiga lösningar vid låga temperaturer, därigenom återvätning utan tillsats av vatten av en regnskur och undvika risken för destruktiv överspädning.

Till synes mindre skillnader, som att ändra luftfuktigheten från 50% till 70%, kan leda till stora skillnader i provens tendens att absorbera vatten, och följaktligen, stora skillnader i utbyten av reaktioner de är värd. Och medan kalium och natrium är grannar i det periodiska systemet med nästan identiska reaktiviteter, många kaliumsalter är delikativa när deras natriummotsvarigheter inte är det. Saltet K2HPO4 främjade utbyten av peptider från glycin tio gånger större än i Na ₂ HPO ₄ .

Teamet tror att deras system kan ge ledtrådar som är relevanta för att lösa mysteriet om varför allt liv på jorden lägger så mycket energi på att berika kalium inuti cellerna och kasta ut natrium.

"Denna kreativa forskning, utforska hur den kemiska miljön reglerar bildandet av stora molekyler, representerar ett annat stort steg mot CCE:s mål att förstå kemierna bakom tidiga biologiska molekyler. Framgångsrika engagemang för forskarutbildning i detta arbete återspeglar också NSF:s uppdrag att integrera forskning med utbildning för utbildning av framtida arbetskraft, "sade Dr Lin He, tillförordnad biträdande avdelningsdirektör för avdelningen för kemi vid National Science Foundation.

Bagerier bortom jorden

Trots deras exotiskt klingande namn, delikenserande salter är vanliga och finns i naturliga miljöer där de kan spela en roll för att möjliggöra flytande vatten i miljöer som annars är för kalla och/eller torra.

I en hyper-torra region i Chiles Atacama-öken som är ogästvänlig för livet, mikrobiella samhällen bor i avlagringar av mineralhaliten. Deras fotosyntetiska aktivitet stiger när den relativa luftfuktigheten stiger över 70%, överskrider tröskeln där deras halitmiljö blir delikat.

Utsökta blandningar av klorid och perkloratsalter har också identifierats på Mars. Dessa blandningar tycks flyta säsongsmässigt och har fått betydande intresse från astrobiologer som det enda flytande vattnet på planetens yta.

Genom att använda dessa naturligt förekommande mineraler, denna nya studie föreslår våt-torr-cykler som regleras av naturliga dagliga svängningar i temperatur och luftfuktighet-inte vid okontrollerbara regnhändelser-utgör en prebiotiskt genomförbar modell för att driva den kemiska bildningen av biopolymerer som är centrala för biologin.

Var en enkel nypa salt den saknade ingrediensen för att laga mat på jorden? Vi kanske aldrig vet säkert, men i det här fallet, det verkar verkligen göra en stor förbättring av receptet för bakningsproteiner.