Organiska molekyler bildade grunden för livets utveckling. Men hur kunde oorganiska prekursorer ha gett upphov till dem? LMU -kemisten Oliver Trapp rapporterar nu en reaktionsväg där mineraler katalyserar bildandet av sockerarter i frånvaro av vatten.

För mer än 4 miljarder år sedan, jorden var väldigt långt ifrån att vara den blå planeten den senare skulle bli. Då hade det precis börjat svalna och under den processen, de koncentriska strukturzonerna som ligger allt djupare under våra fötter bildades. Den tidiga jorden dominerades av vulkanism, och atmosfären bestod av koldioxid, kväve, metan, ammoniak, vätesulfid och vattenånga. I denna avgörande ogästvänliga miljö bildades livets byggstenar. Hur kunde då detta ha uppkommit?

Forskare har undrat över frågan i årtionden. Det första genombrottet gjordes 1953 av två kemister, heter Stanley Miller och Harold C. Urey, vid University of Chicago. I deras experiment, de simulerade den ursprungliga jordens atmosfär i ett slutet reaktionssystem som innehöll de ovan nämnda gaserna. Ett miniatyr "hav" upphettades för att ge vattenånga, och elektriska urladdningar leddes genom systemet för att efterlikna effekterna av blixtnedslag. När de analyserade de kemikalier som producerades under dessa förhållanden, Miller och Urey upptäckte aminosyror - de grundläggande beståndsdelarna i proteiner - liksom ett antal andra organiska syror.

Det är nu känt att de förhållanden som användes i dessa experiment inte återspeglade de som rådde på den tidiga jorden. Ändå, Miller-Urey-experimentet initierade området för prebiotisk kemisk utveckling. Dock, det kastar inte mycket ljus över hur andra molekylklasser som finns i alla biologiska celler - som socker, fett och nukleinsyror - kan ha genererats. Dessa föreningar är emellertid oumbärliga ingredienser i processen som ledde till de första bakterierna och därefter till fotosyntetiska cyanobakterier som producerade syre. Det är därför Oliver Trapp, Professor i organisk kemi vid LMU, bestämde sig för att fokusera sin forskning på den prebiotiska syntesen av dessa ämnen.

Från formaldehyd till socker

Historien om syntetiska vägar från mindre prekursorer till socker går tillbaka nästan ett sekel före Miller-Urey-experimentet. År 1861, den ryska kemisten Alexander Butlerov visade att formaldehyd kan ge upphov till olika sockerarter genom det som blev känt som formosereaktionen. Miller och Urey hittade faktiskt myrsyra i sina experiment, och det kan lätt reduceras för att ge formaldehyd. Butlerov upptäckte också att formosreaktionen främjas av ett antal metalloxider och hydroxider, inklusive kalcium, barium, talium och bly. Speciellt kalcium är rikligt tillgängligt på och under jordens yta.

Dock, hypotesen att socker kan ha producerats via formosreaktionen stöter på två svårigheter. Den "klassiska" formosreaktionen ger en varierad blandning av föreningar, och det sker endast i vattenhaltiga medier. Dessa krav strider mot det faktum att socker har upptäckts i meteoriter.

Tillsammans med kollegor på LMU och Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Trapp bestämde sig därför för att undersöka om formaldehyd kan ge upphov till socker i ett fastfassystem. För att simulera de typer av mekaniska krafter som fasta mineraler skulle ha utsatts för, alla reaktionskomponenter kombinerades i en kulkvarn - i frånvaro av lösningsmedel, men tillsats av tillräckligt med formaldehyd för att mätta de pulverformiga fastämnena

Och verkligen, formosreaktionen observerades och flera olika mineraler befanns katalysera den. Formaldehyden adsorberades på de fasta partiklarna, och interaktionen resulterade i bildandet av formaldehyddimerer (glykolaldehyd) - och ribos, 5-kolsockret som är en väsentlig beståndsdel i ribonukleinsyra (RNA). RNA antas ha gått samman innan DNA, och det fungerar som förvaret för genetisk information i många virus, samt tillhandahålla mallarna för proteinsyntes i alla cellulära organismer. Mer komplexa sockerarter erhölls också i experimenten, tillsammans med några biprodukter, såsom mjölksyra och metanol.

"Våra resultat ger en trolig förklaring till bildandet av sockerarter i den fasta fasen, även under utomjordiska miljöer i avsaknad av vatten, "säger Trapp. De ställer också nya frågor som kan peka på nya och oväntade prebiotiska vägar till de grundläggande komponenterna i livet som vi känner det, som Trapp bekräftar. "Vi är övertygade om att dessa nya insikter kommer att öppna helt nya perspektiv för forskning om prebiotiska, kemisk utveckling, " han säger.