Forskare har utvecklat ett artificiellt protein som kan ge nya insikter om kemisk utveckling på jordens tidiga tid.

Alla celler behöver energi för att överleva, men eftersom de typer av kemikalier som fanns tillgängliga under planetens tidiga dagar var så begränsade jämfört med dagens stora omfattning av kemisk mångfald, hade flercelliga organismer mycket mindre energi för att bygga de komplexa organiska strukturer som utgör världen vi vet idag.

Ny forskning, publicerad i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , ger bevis för att många av organismerna i jordens ursoppa var starkt beroende av metallmolekyler, speciellt nickel, för att hjälpa till att lagra och förbruka energi.

Aktuella teorier om hur mikrobiellt liv uppstod tyder på att medan celler använde koldioxid och väte som bränslekälla, bebodde de också områden rika på reducerade metaller som järn och nickel. Dessa första kemiska reaktioner drevs också till stor del av ett enzym som kallas acetylkoenzym A-syntas, eller ACS, en molekyl som är nödvändig för energiproduktion och bildande av nya kemiska bindningar.

Men i åratal har forskare inom området varit splittrade om hur detta enzym faktiskt fungerar - om de kemiska reaktionerna det sporrade kunde sammanställas slumpmässigt eller om dess kemiska konstruktioner följde en strikt färdplan. Hannah Shafaat, medförfattare till studien och professor i kemi och biokemi vid Ohio State University, sa att hennes teams artificiella modell av enzymet avslöjar mycket om hur dess inhemska förfader kan ha agerat under jordens första miljarder år.

Jämfört med vad forskare hittar i naturen är detta modellprotein mycket lättare att studera och manipulera. På grund av detta kunde teamet dra slutsatsen att ACS faktiskt måste bygga molekyler ett steg i taget. Sådan information är avgörande för att förstå hur organisk kemi på jorden började mogna.

"Istället för att ta enzymet och ta bort det, försöker vi bygga det nerifrån och upp", sa Shafaat. "Och att veta att man måste göra saker i rätt ordning kan i grunden vara en vägledning för hur man återskapar det i labbet."

Eftersom forskare hoppas kunna förstå vad som kan ha dykt upp först ur ursoppan, sa Shafaat att studien visade att även enkla enzymer som deras modell kunde ha stött tidigt i livet. Shafaat, som har arbetat med projektet i nästan fem år, sa att även om studien stötte på vissa utmaningar, var de lärdomar som laget lärde sig värda det i det långa loppet.

Förutom att vara viktiga för att förstå primordial kemi, har deras resultat breda konsekvenser för andra områden, inklusive energisektorn, sa Shafaat. "Om vi ​​kan förstå hur naturen kom på hur man använder dessa föreningar för miljarder och miljarder år sedan, kan vi utnyttja några av samma idéer för våra egna alternativa energienheter," sa hon.

För närvarande är en av de största utmaningarna som energisektorn står inför att tillverka flytande bränsle. Ändå kan denna studie vara det första steget för att hitta en naturlig energikälla som kan ersätta människors överanvändning av bensin och olja, sa Shafaat. Nu arbetar hennes team på att effektivisera sin produkt, men kommer att fortsätta att undersöka om det finns andra urhemligheter som deras enzym kan avslöja.

Medförfattare var Anastasia C. Manesis och Alina Yerbulekova från Ohio State och Jason Shearer från Trinity University. + Utforska vidare

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