För fyra miljarder år sedan såg jorden väldigt annorlunda ut än den gör idag, utan liv och täckt av ett stort hav. Under loppet av miljoner år, i den ursoppan, uppstod liv. Forskare har länge teoretiserat hur molekyler kom samman för att utlösa denna övergång. Nu har forskare vid Scripps Research upptäckt en ny uppsättning kemiska reaktioner som använder cyanid, ammoniak och koldioxid - som alla troddes vara vanliga på den tidiga jorden - för att generera aminosyror och nukleinsyror, byggstenarna i proteiner och DNA.

"Vi har kommit med ett nytt paradigm för att förklara denna förändring från prebiotisk till biotisk kemi", säger Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., docent i kemi vid Scripps Research och huvudförfattare till den nya artikeln, publicerad 28 juli , 2022 i tidskriften Nature Chemistry . "Vi tror att den typ av reaktioner vi har beskrivit förmodligen är vad som kunde ha hänt på den tidiga jorden."

Förutom att ge forskare insikt i den tidiga jordens kemi, är de nyupptäckta kemiska reaktionerna också användbara i vissa tillverkningsprocesser, såsom generering av specialmärkta biomolekyler från billiga utgångsmaterial.

Tidigare i år visade Krishnamurthys grupp hur cyanid kan möjliggöra de kemiska reaktioner som förvandlar prebiotiska molekyler och vatten till grundläggande organiska föreningar som krävs för livet. Till skillnad från tidigare föreslagna reaktioner, fungerade denna vid rumstemperatur och i ett brett pH-område. Forskarna undrade om det under samma förhållanden fanns ett sätt att generera aminosyror, mer komplexa molekyler som utgör proteiner i alla kända levande celler.

I celler idag genereras aminosyror från prekursorer som kallas α-ketosyror med användning av både kväve och specialiserade proteiner som kallas enzymer. Forskare har hittat bevis för att α-ketosyror sannolikt existerade tidigt i jordens historia. Många har dock antagit att före tillkomsten av cellulärt liv måste aminosyror ha genererats från helt andra prekursorer, aldehyder, snarare än α-ketosyror, eftersom enzymer för att utföra omvandlingen ännu inte existerade. Men den idén har lett till debatt om hur och när bytet skedde från aldehyder till α-ketosyror som nyckelingrediensen för att göra aminosyror.

Efter deras framgång med att använda cyanid för att driva andra kemiska reaktioner, misstänkte Krishnamurthy och hans kollegor att cyanid, även utan enzymer, också kan hjälpa till att förvandla α-ketosyror till aminosyror. Eftersom de visste att kväve skulle krävas i någon form, tillsatte de ammoniak - en form av kväve som skulle ha funnits på den tidiga jorden. Sedan, genom försök och misstag, upptäckte de en tredje nyckelingrediens:koldioxid. Med denna blandning började de snabbt se aminosyror bildas.

"Vi förväntade oss att det skulle vara ganska svårt att lista ut det här, och det visade sig vara ännu enklare än vi hade föreställt oss", säger Krishnamurthy. "Om du bara blandar ketosyran, cyaniden och ammoniaken så sitter den bara där. Så fort du tillsätter koldioxid, till och med spårmängder, tar reaktionen fart."

Eftersom den nya reaktionen är relativt lik vad som sker idag inuti celler - förutom att den drivs av cyanid istället för ett protein - verkar det mer sannolikt att det är källan till tidigt liv snarare än drastiskt olika reaktioner, säger forskarna. Forskningen hjälper också till att sammanföra två sidor av en långvarig debatt om koldioxidens betydelse för tidigt liv, och drar slutsatsen att koldioxid var nyckeln, men bara i kombination med andra molekyler.

I processen att studera sin kemiska soppa upptäckte Krishnamurthys grupp att en biprodukt av samma reaktion är orotat, en föregångare till nukleotider som utgör DNA och RNA. Detta tyder på att samma ursoppa, under rätt förhållanden, kunde ha gett upphov till ett stort antal av de molekyler som krävs för livets nyckelelement.

"Vad vi vill göra härnäst är att fortsätta undersöka vilken typ av kemi som kan uppstå från denna blandning", säger Krishnamurthy. "Kan aminosyror börja bilda små proteiner? Kan ett av dessa proteiner komma tillbaka och börja fungera som ett enzym för att göra fler av dessa aminosyror?"

Förutom Krishnamurthy, författare till studien, "Prebiotic Synthesis of α-Amino Acids and Orotate from α-Ketoacids Potentiates Transition to Extant Metabolic Pathways," är Sunil Pulletikurti, Mahipal Yadav och Greg Springsteen. + Utforska vidare

Ny roll för cyanid i början av jorden och sökande efter utomjordiskt liv