I ett system med självreplikerande molekyler, tidigare visat sig ha förmågan att växa, dela och utvecklas, kemister från universitetet i Groningen har nu upptäckt katalytiska förmågor som resulterar i en grundläggande metabolism. Vidare, de kopplade ett ljuskänsligt färgämne till molekylerna, vilket gjorde det möjligt för dem att använda ljusenergi för att driva tillväxt. Dessa fynd, som för artificiellt liv ett steg närmare, publicerades samtidigt i tidskrifterna Naturkemi och Naturkatalys den 26 juni.

Tio år sedan, Sijbren Otto, Professor i systemkemi vid University of Groningens Stratingh Institute for Chemistry, upptäckte en ny mekanism för självreplikation:små peptidhaltiga molekyler i lösning bildar ringar som sedan bildar växande staplar. När en stack går sönder, båda halvorna börjar växa igen. Vidare, tillväxten av staplar utarmar antalet ringar i lösning och detta, i tur och ordning, stimulerar bildandet av nya ringar från byggstenarna. Systemet kunde också "mutera" när olika byggstenar lades till.

Fantastisk upptäckt

Detta system, som uppstod spontant, är en form av artificiellt proto-liv. "Definitionen av liv är komplex men i allmänhet, livet ska ha tre grundläggande egenskaper, " förklarar Otto. "Den första är replikering, och detta händer i vårt system. Den andra är metabolism, som ska skapa byggstenar av material i miljön. Och den tredje är uppdelning, som skiljer den levande organismen från dess omgivning." Slutligen, sådana organismer bör utveckla en fjärde, mer avancerad egendom, som är förmågan att utvecklas och uppfinna.

Otto och hans team satte sig för att göra ändringar i sina molekyler för att lägga till katalytiska möjligheter. "Dock, när vi startade projektet, vi gjorde en fantastisk upptäckt. Utan att kräva några ändringar, systemet visade redan katalys; vi hade bara inte märkt det här tidigare." Staplarna växer från ringar som består av sex byggstenar. Dessa ringar bildas genom att kombinera byggstenarna av mindre ringar som består av tre eller fyra byggstenar.

Evolution

"Det visade sig att högarna av ringar katalyserar bildandet av de mindre ringarna, " säger Otto. Ytterligare analys visade att katalys av denna reaktion kräver närvaron av två specifika aminosyrarester (två lysinrester). "Varken byggstenarna eller de separata ringarna har katalytiska förmågor, men det gör stackarna. Så vi antar att i dessa stackar, en 3D-konfiguration av dessa lysinrester uppstår som fungerar som det katalytiska centrumet, precis som proteiner formar aktiva platser genom att placera aminosyrarester i mycket specifika arrangemang, förklarar Otto. Alltså, i de strukturer som uppstår som ett resultat av deras förmåga att replikera sig själv, aminosyror blir organiserade på ett sådant sätt att de kan fungera som katalysatorer.

Staplarna är också kapabla till retro-aldolkatalys, en välkänd reaktion som ofta används för att riktmärka katalysatordesigninsatser. "Intressant, våra högar, som inte var designade för att ha katalytisk förmåga, var lika effektiva som de bäst designade katalysatorerna vi känner till." Att ta reda på att samma stackar kan katalysera två mycket olika reaktioner är intressant. Många enzymer har denna förmåga, vilket ger evolutionen en chans att utveckla något nytt.

Ämnesomsättning

I en andra studie, ett ljuskänsligt färgämne tillsattes. "Guille Monreal, en av mina Ph.D. studenter, läste att ett sådant färgämne kunde stimulera bildningen av reaktivt singlettsyre i amyloidpeptider. Eftersom reaktivt syre driver viktiga steg i ringbildning, han ville se om detta skulle påskynda bildandet av ringar." Två olika färgämnen hittades som verkligen påskyndar ringbildningen när de utsätts för ljus, men bara när de var bundna till staplarna. "Färgämnena verkade fungera som kofaktorer för staplarna, precis som moderna proteiner använder kofaktorer för sin katalys, " säger Otto. När den är bunden till de replikerande fibrerna, färgämnet kan använda energi från ljus för att skapa reaktivt singlettsyre och därigenom öka bildningen av nya ringar.

Både den spontana katalysen av stackarna och den katalys som förmedlas av kofaktorn resulterar i en sorts metabolism som är kopplad till replikation. "Det är ännu inte den typ av metabolism du ser i levande organismer, " förklarar Otto. "I vårt system, katalys påskyndar bara reaktioner som skulle inträffa långsamt utan hjälp. I livet, metabolism driver också reaktioner som annars inte skulle inträffa."

Konstgjort liv

Dock, Ottos konstgjorda system visar både replikation och en primitiv form av metabolism. "Vidare, från denna punkt, uppdelning är ett relativt litet steg." är han nära att se artificiellt liv utvecklas i sina provrör? "Inte riktigt, " medger Otto. "Det skulle kräva att systemet är kapabelt till en öppen utveckling, vilket innebär att det kan utveckla funktioner som inte finns i systemet. Och vi har ännu ingen klar idé om hur vi ska åstadkomma det. Men vårt system verkar vara en sund grund från vilken vi kan komma dit."