Mest ansträngning inom forskning om livets ursprung är inriktad på att förstå den prebiotiska bildningen av biologiska byggstenar. Dock, det är möjligt att tidig biologisk evolution förlitade sig på olika kemiska strukturer och processer, och dessa ersattes gradvis med tiden av eoner av evolution. Nyligen, kemister Irena Mamajanov, Melina Caudan och Tony Jia vid Earth-Life Science Institute (ELSI) i Japan lånade idéer från polymervetenskap, drogleverans, och biomimik för att utforska denna möjlighet. Förvånande, de fann att även små mycket grenade polymerer kunde fungera som effektiva katalysatorer, och dessa kan ha hjälpt livet att komma igång.

I modern biologi, kodade proteinenzymer gör det mesta av det katalytiska arbetet i celler. Dessa enzymer är uppbyggda av linjära polymerer av aminosyror, som fälls upp och dubblar tillbaka på sig själva för att bilda fasta tredimensionella former. Dessa förformade former tillåter dem att interagera mycket specifikt med de kemikalier vars reaktioner de katalyserar. Katalysatorer hjälper reaktioner att inträffa mycket snabbare än de annars skulle men bli inte upptagna av reaktionen själva, så en enda katalysatormolekyl kan hjälpa samma reaktion att hända många gånger. I dessa tredimensionella vikta tillstånd, det mesta av katalysatorns struktur interagerar inte direkt med kemikalierna den verkar på, och hjälper bara enzymstrukturen att hålla sin form.

I detta arbete, ELSI-forskare studerade hyperförgrenade polymerer - trädliknande strukturer med en hög grad och täthet av förgrening som är i sig klotformade utan behov av informerad vikning - vilket krävs för moderna enzymer. Hypergrenade polymerer, som enzymer, är kapabla att placera katalysatorer och reagens, och modulera lokal kemi på exakta sätt.

Mest ansträngning inom forskning om livets ursprung är inriktad på att förstå den prebiotiska bildningen av moderna biologiska strukturer och byggstenar. Logiken är att dessa föreningar existerar nu, och att förstå hur de kunde göras i miljön kan hjälpa till att förklara hur de kom till. Dock, vi känner bara till ett exempel på livet, och vi vet att livet ständigt utvecklas, vilket betyder att endast de mest framgångsrika varianterna av organismer överlever. Så det kan vara rimligt att anta modern organismer kanske inte är särskilt lika de först organismer, och det är möjligt att prebiotisk kemi och tidig biologisk evolution förlitade sig på andra kemiska strukturer och processer än modern biologi för att reproducera sig själv. Som en analogi med teknisk utveckling, tidiga katodstråle-TV-apparater utförde mer eller mindre samma funktion som moderna högupplösta skärmar, men de är fundamentalt olika tekniker. Den ena tekniken ledde till skapandet av den andra på vissa sätt, men det var inte nödvändigtvis den andras logiska och direkta föregångare.

Om denna typ av "byggnadsställningar" modell för biokemisk evolution är sann, frågan blir vilken typ av enklare strukturer, förutom de som används i samtida biologiska system, kan ha hjälpt till att utföra samma slags katalytiska funktioner som det moderna livet kräver? Mamajanov och hennes team resonerade att hyperförgrenade polymerer kan vara bra kandidater.

Teamet syntetiserade några av de hyperförgrenade polymererna de studerade från kemikalier som rimligen kunde förväntas ha varit närvarande på jorden innan livet började. Teamet visade sedan att dessa polymerer kunde binda små naturligt förekommande oorganiska kluster av atomer kända som zinksulfidnanopartiklar. Sådana nanopartiklar är kända för att vara ovanligt katalytiska på egen hand.

Som huvudforskaren Mamajanov kommenterar, "Vi provade två olika typer av hyperförgrenade polymerställningar i den här studien. För att få dem att fungera, allt vi behövde göra var att blanda en zinkkloridlösning och en lösning av polymer, tillsätt sedan natriumsulfid, och "voila, "Vi fick en stabil och effektiv nanopartikelbaserad katalysator."

Teamets nästa utmaning var att visa att dessa hyperförgrenade polymer-nanopartikelhybrider faktiskt kunde göra något intressant och katalytiskt. De fann att dessa metallsulfiddopade polymerer som bryter ned små molekyler var särskilt aktiva i närvaro av ljus, i vissa fall katalyserade de reaktionen med så mycket som en faktor 20. Som Mamajanov säger, – Hittills har vi bara utforskat två möjliga byggnadsställningar och bara ett dopmedel. Det finns utan tvekan många, många fler exempel på detta återstår att upptäcka.'

Forskarna noterade vidare att denna kemi kan vara relevant för en livsmodell som kallas "Zinkvärlden". Enligt denna modell, den första metabolismen drevs av fotokemiska reaktioner katalyserade av zinksulfidmineraler. De tror att med vissa modifieringar, sådana hypergrenade byggnadsställningar kan justeras för att studera analoger av järn- eller molybdenhaltiga proteinenzymer, inklusive viktiga inblandade i modern biologisk kvävefixering. Mamajanov säger, "Den andra frågan detta väcker är, antar att livet eller pre-life använde denna typ av ställningsprocess, varför bosatte sig livet till slut på enzymer? Finns det en fördel med att använda linjära polymerer framför grenade? Hur, när och varför skedde denna övergång?'