Allt modernt liv använder energi för att reproducera sig själv. Under denna process, organismer bygger och bryter ner större molekyler som fetter och sockerarter med hjälp av en anmärkningsvärt vanlig uppsättning reaktiva mellanliggande energibärarmolekyler. Dessa mellanliggande energibärare (t.ex. ATP) är ofta inte byggstenar i sig, men de tillåter energikopplingen mellan separata reaktioner som behövs för att driva fram cellulär reproduktion.

En klass av dessa föreningar är tioestrar, kemiska föreningar som innehåller en kol-svavelbindning med hög energi. Forskare har under en tid spekulerat i att tioestrar kan vara bland de äldsta versionerna av sådana metaboliska reaktiva intermediärer, dels för att moderna organismer fortfarande använder tioestrar för att bryta ner sockerarter och göra proteiner från aminosyror. Hur reaktiva intermediära föreningar som tioestrar kunde ha utvecklats innan livet utvecklades, eller när livet tog sina första steg, förblir höljt av mystik.

Nytt arbete från forskare vid Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology visar att en enkel förening som finns i vissa moderna vulkaniska gaser, en tiosyra (en förening bildad av en organisk syra och vätesulfid), reagerar lätt med enkla svavelhaltiga tiolföreningar liknande de som är grundläggande för modern metabolism för att bilda reaktiva tioestrar liknande de som finns i modern biologi. Denna reaktion sker lätt i vatten och kan ha fungerat som en utgångspunkt för utvecklingen av mer komplex biokemi. Under forskningen, forskarna fann att när de inkluderade järn i sina reaktioner (som är mycket rikligt på jorden), reaktionsproduktutbytena ökade.

Teamet föreslår att detta kan innebära energikoppling mellan flera reaktioner, där en reaktion driver en annan framåt, kan ha sitt ursprung i icke-levande miljökemi. Anmärkningsvärt, de fann också att en biprodukt av reaktionen kan användas för att göra en andra typ av mångsidig energikopplingsförening som krävs av alla levande varelser:FeS (förkortning för järn-svavel) kluster. Dessa är små aggregat med bara några atomer vardera av järn och svavel, som hjälper organismer att metabolisera när de flyttar elektroner från en molekyl till en annan. Ett viktigt exempel på en sådan FeS-kluster-användningsväg är fotosyntes, som överför elektroner från vatten till CO ₂ att göra sockerarter och syre. Detta arbete ger således en ny förståelse för hur högenergimolekyler och elektronöverföringsreaktioner kan ha producerats naturligt när tidig metabolism utvecklades.

Även om forskare under en tid har försökt förstå ursprunget till livets byggstenar, liten ansträngning har gjorts för att förstå hur energiöverföringen uppstod i prebiotisk kemi. Att förstå detta energiutbyte kan vara lika viktigt som att förstå ursprunget till byggstenar, så beslutade ELSI -teamet att söka efter reaktioner som energiskt kunde kopplas ihop.

Huvudförfattaren Sebastian Sanden säger, "Vi studerade redan FeS-mineraler, och vi visste hur lätt deras bildning var, så vi ville se om vi kunde koppla denna överskottsspillda energi till en annan reaktion." Tiosyran som de först studerade innehåller svavel, som de visste då bara behövde reageras med järn för att göra de FeS-kluster som de redan studerade.

Experimenten och analyserna som ELSI-forskarna utförde måste göras i snabb följd för att spåra reaktionens fortskridande. De utvecklade tekniker för att göra detta, och därmed kunde de avgöra hur snabbt dessa reaktioner skedde. Deras preliminära tioestertillverkningsexperiment gick inte så snabbt som de först hoppades, men genom att tillsätta en katalysator och öka temperaturen, de fann att maximala tioesterutbyten erhölls på mindre än en timme, i motsats till några dagar innan du gör dessa ändringar.

Teamet tycker att det är särskilt fascinerande att den här typen av reaktioner kan skapa "kaskadreaktioner, "som gör mer och mer komplexa molekyler:Pyruvat sönderdelas, hjälper till att bilda en tioester, som sedan tillåter peptider (mindre kusiner till proteiner) att bildas via den nyupptäckta tioestervägen. Teamet hoppas att testa detta experimentellt nästa och att skapa ett system som kan öka antalet komponenter det innehåller av sig själv, kanske hela vägen till självreproduktion.

Faktiskt, vissa moderna mikrober använder pyruvatnedbrytning och tioesterbildning med hjälp av FeS-kluster i sin metabolism, och det är möjligt att reaktionerna som teamet upptäckte rekapitulerar hur tidig prebiologisk eller biologisk evolution upptäckte dem. Ledande utredare, ELSI docent Shawn McGlynn, säger, "Detta arbete ger nya kopplingar mellan flera prebiotiska reaktionskomponenter som kan ha varit avgörande för att etablera tidig energimetabolism på jorden."

Även om detta arbete kan skina nytt ljus på hur naturligt förekommande energiutbytesreaktioner kan ha hjälpt till att sätta igång ämnesomsättningen, det kan också vara viktigt för området grön kemi, som handlar om att hitta de mest energieffektiva och miljövänliga metoderna för att göra kemiska föreningar. Även om giftiga tungmetaller som kadmium och kvicksilver och lösningsmedel som kloroform ofta används i industriell organisk kemi, de reaktioner som upptäckts av denna forskargrupp är mycket effektiva och fungerar i vatten med giftfritt järn som katalysator.