Forskare vid University of Wisconsin-Madison har odlat verklighetstrogna kemiska reaktioner samtidigt som de varit banbrytande för en ny strategi för att studera livets ursprung.

Arbetet är långt ifrån att starta livet i labbet. Än, den visar att enkla laboratorietekniker kan stimulera den typ av reaktioner som sannolikt är nödvändiga för att förklara hur livet började på jorden för cirka fyra miljarder år sedan.

Forskarna utsatte en rik soppa av organiska kemikalier för upprepade urval genom att ständigt rensa den kemiska befolkningen och låta den bygga upp igen med tillägg av nya resurser. Under generationer av urval, systemet tycktes konsumera sina råvaror, bevis på att urval kan ha orsakat spridningen av kemiska nätverk som kan sprida sig.

På längre tider, dessa kemiska förändringar oscillerade i ett upprepande mönster. Denna boom-and-bust-cykel är ännu inte helt förklarad, men det är ett gott bevis på att de kemiska sopporna etablerade återkopplingsöglor som liknar dem som finns i levande organismer. David Baum, en professor i botanik vid UW-Madison, och hans team publicerade sina resultat den 23 oktober, 2019, i tidningen Liv . Arbetet finansierades av National Science Foundation och NASA.

Nu, andra forskare kan använda detta experimentella tillvägagångssätt och hjälpa till att avlägsna vilka komponenter som är nödvändiga för att uppmuntra till verklighetstrogna kemiska system och om dessa kemiska nätverk kan fortsätta att utveckla mer komplexa egenskaper.

Om detta system kan skapa större komplexitet, det kan hjälpa till att lösa pusslet om hur enkla kemikalier så småningom gav upphov till något så invecklat som den cellulära förfadern som skapade allt liv idag.

"En kärnfråga i livets ursprung är:Hur får man evolution innan det fanns sådan genetisk information inom DNA eller RNA?" säger Baum. "Vad vi nu har insett är att utvecklingen av kemiska nätverk kan lösa det problemet, och det är något vi kan ta itu med i labbet. "

För att testa idén om kemisk ekosystemutveckling, forskarna samlade en rik soppa av kemikalier. I havsvatten, de löste aminosyror, sockerarter, vanliga organiska föreningar, spårmineraler och byggstenarna i nukleinsyror. För att ge systemet ännu mer kant, forskarna spetsade det rika havsvattnet med ATP, en högenergimolekyl som driver nästan alla livets reaktioner idag men som osannolikt skulle existera under urtiden.

"Alla dessa kemikalier kanske inte har varit tillgängliga på tidig jord, men vi försöker påskynda en process som i teorin kan komma igång från ännu enklare byggstenar, säger Baum, som också är en upptäcktsmedlem vid Wisconsin Institute for Discovery.

Teamet blandade sin ursoppa med fina korn av pyrit, ett mineral av järn och svavel också känt som dårens guld. Med utgångspunkt i den tyska kemisten Günter Wächtershäuser 1988 -förslag om kemisk utveckling, Baums team tror att pyrit är ett idealiskt material för att odla verklighetstrogen kemi.

"Pyrit var ett vanligt mineral på urjorden, det kan binda till många organiska föreningar, och det kan katalysera reaktioner mellan dem, säger Lena Vincent, en doktorand i Baums lab och huvudförfattaren till studien. "Och, mycket elegant, många mycket konserverade enzymer över hela livet har kärnor som liknar mycket pyrit. De är i princip pyrit inslagna i protein. "

Forskarna tillsatte några droppar av den berikade havsvattensoppan till en liten mängd krossad pyrit i en flaska och blandade lösningen i några dagar. Detta var den första generationen. För att börja nästa generation, Vincent tog en liten mängd av den första lösningen och blandade den i en injektionsflaska med färsk soppa och pyrit. Över ett dussin eller fler generationer, bara de kemiska nätverk som kunde föröka sig snabbare än de späddes skulle överleva och spridas.

Efter 12 eller 18 generationer, forskarna såg en minskning av tillgängligt fosfat - en avläsning av ATP -användning - och i det lösta organiska materialet, som föreslog att kemiska föreningar kan fastna vid och sprida sig längs pyritkornen.

När de inspekterade pyriten under ultrahög förstoring, forskarna såg ett överflöd av fraktala former sprida sig längs ytan av mineralet i de experimentella proverna men inte i kontrollprover som saknade en urvalshistoria.

Även om dessa fraktalformer tycks vara salter och sannolikt inte är verklighetstrogna själva, forskarna misstänker att de kan induceras av ett tunt utstryk av organiska föreningar bundna till kornen. Fraktalerna dök aldrig upp när organiskt material lämnades utanför lösningen.

"Forskare har letat efter exempel på reaktioner som spontant komplicerar och organiserar organiska kemikalier under lång tid, "säger Jim Cleaves, en medförfattare till arbetet från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology i Japan. "Baserat på detta arbete, och andra experiment vi har utfört på ELSI, det verkar möjligt att sådana reaktioner kanske inte är otroligt sällsynta alls, Det kan helt enkelt handla om att använda rätt verktyg för att hitta dem. "

När forskarna körde experimentet till 40 generationer, de observerade perioder av gradvis förändring varvat av plötsliga vändningar till startförhållandena. Även om orsaken till dessa krascher fortfarande är okänd, denna typ av icke-linjär återkopplingsslinga finns över hela livet och är ett bevis på att det experimentella systemet inducerade komplexa beteenden i den kemiska soppan.

"Denna olinjäritet är en förutsättning för alla intressanta verklighetstrogna beteenden vi letar efter, inklusive självförökning och utveckling, "säger Vincent. Försiktigt upphetsad med sin preliminära framgång, Baum och hans team är nu ivriga att rekrytera andra för att hjälpa dem att förfina sitt system.

"Vi ville utveckla ett system som vi kan undersöka vidare för att ta itu med frågor om utvecklingsbarhet. Och förhoppningsvis kommer andra laboratorier att använda detta protokoll och förbättra det, "säger Baum." Det var precis här vi ville vara. "