I ett viktigt steg under den tidiga utvecklingen av livet på jorden, bildandet av aminosyran cystein levererade vitala katalysatorer, som gjorde det möjligt för de tidigaste proteinmolekylerna att bildas i vatten, enligt en ny studie av UCL -forskare.

Alla proteiner är uppbyggda av samma 20 aminosyror. En av dessa, cystein, antogs inte ha varit närvarande vid livets ursprung. Trots dess grundläggande betydelse för allt liv idag, det var oklart hur cystein kan ha bildats på den tidiga jorden.

I en ny studie, publiceras i Vetenskap , UCL -forskare har återskapat hur cystein bildades vid livets ursprung. Dessutom, de har observerat hur, en gång bildad, cystein katalyserar sammansmältningen av peptider i vatten - ett grundläggande steg i vägen mot proteinenzymer.

UCL-forskarna skapade cystein med mycket enkel kemi och kemikalier - vätecyanid och vätesulfid - som sannolikt skulle finnas rikligt på den tidiga jorden. Vägen som de har nysta upp påminner mycket om hur cystein syntetiseras i levande organismer idag, och forskarna tror att de är historiskt kopplade.

Studien fann också att cysteinrester katalyserar peptidsyntes i vatten genom att sammanfoga korta peptidfragment som teamet tidigare hittat i en studie publicerad i Natur förra året.

Seniorförfattaren professor Matthew Powner (UCL Chemistry) sa:"Våra resultat visar hur cystein kan ha bildats på den tidiga jorden och hur det kunde ha spelat en avgörande roll i utvecklingen av proteinsyntes.

"När det väl bildades, cysteinkatalysatorer beter sig som "proto-enzymer" för att producera peptider i vatten. Denna robusta kemi kunde ha genererat peptider tillräckligt länge för att vika sig till enzymliknande strukturer, som skulle vara föregångarna till de proteinenzymer som är grundläggande för alla levande organismer. "

Medförfattare och forskningsstipendiat Dr. Saidul Islam (UCL Chemistry) sa:"Vi har visat att nitriler har den inbyggda energi som krävs för att bilda peptidbindningar i vatten. Detta är det enklaste sättet att göra peptider som fungerar med alla de 20 aminosyrorna, vilket gör det ännu mer otroligt.

"Det är just den typen av enkla, ändå speciell, kemi som var avgörande för att starta livet för flera miljarder år sedan. Vår studie ger ytterligare bevis för att livets molekyler härstammar från nitrilkemi på den tidiga jorden."

Medförfattare Dr. Callum Foden, som avslutade arbetet medan en doktorsexamen student vid UCL, sa:"Peptidsyntesen vi upptäckte är enkel, mycket selektiv och använder molekyler som var tillgängliga på den tidiga jorden.

"En enda cysteinrest är tillräckligt för att producera robust katalytisk aktivitet. Det är anmärkningsvärt att så små molekyler kan utföra en så viktig (bio)kemisk reaktion, selektivt i vatten, vid neutralt pH, och med så hög avkastning."

Diskutera ytterligare implikationer av deras studie, Professor Powner sa:"Vi har löst ett mångårigt problem för livets ursprung genom att tillhandahålla en enkel lösning på katalytisk peptidsyntes i vatten. Viktigt är att Katalysatorerna byggs endast av biologins aminosyror. Att förstå hur cystein kunde ha kontrollerat bildandet av jordens tidigaste peptider har fått den långa vägen från kemi till en levande organism att verka lite kortare, och lite mindre skrämmande.

"Vår studie tyder på att cystein först introducerades i livets peptider genom modifiering av serin (en annan av livets aminosyror). Detta väcker nu viktiga frågor om den tidiga utvecklingen och kodningen av peptidsyntes. Cystein antas allmänt inte ha varit närvarande i livets första genetisk kod, och detta stämmer väl överens med våra observationer. Våra resultat indikerar att kodad serin kan ge cysteinpeptider, leder till en nyckelroll för cystein i evolutionen redan innan det tilldelades livets genetiska kod."