Pentoser är viktiga kolhydrater i metabolismen av moderna livsformer, men deras tillgänglighet under tidig jorden är oklart eftersom dessa molekyler är instabila.
En ny studie, publicerad i tidskriften JACS Au och ledd av Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology, Japan, avslöjar en kemisk väg som är kompatibel med tidiga jordförhållanden och genom vilken C6-aldonater kunde ha fungerat som en källa till pentoser utan behov av enzymer. Deras resultat ger ledtrådar om primitiv biokemi och för oss närmare förståelsen av livets ursprung.
Uppkomsten av liv på jorden från enkla kemikalier är ett av de mest spännande men ändå utmanande ämnena inom biokemi och kanske hela vetenskapen. Moderna livsformer kan omvandla näringsämnen till alla möjliga föreningar genom komplexa kemiska nätverk; dessutom kan de katalysera mycket specifika transformationer med hjälp av enzymer, vilket ger en mycket fin kontroll över vilka molekyler som produceras.
Men enzymer fanns inte innan livet uppstod och blev mer sofistikerat. Det är således troligt att olika icke-enzymatiska kemiska nätverk existerade vid en tidigare tidpunkt i jordens historia, som skulle kunna omvandla miljönäringsämnen till föreningar som stödde primitiva cellliknande funktioner.
Syntesen av pentoser är ett framträdande exempel på ovanstående scenario. Dessa enkla sockerarter, som bara innehåller fem kolatomer, är de grundläggande byggstenarna för RNA och andra molekyler som är väsentliga för livet som vi känner det. Forskare har föreslagit och studerat olika sätt på vilka pentoser kunde ha genererats innan livets ursprung, men nuvarande teorier ställer frågan:hur skulle pentoser någonsin kunna ackumuleras i tillräckligt stora mängder för att delta i reaktioner före livet om dessa föreningar är extremt kortlivade?
För att ta itu med denna fråga genomförde en forskargrupp ledd av forskaren Ruiqin Yi från ELSI en studie för att hitta en alternativ förklaring till ursprunget och den ihållande tillgången på pentoser på den tidiga jorden. De utforskade ett enzymfritt kemiskt nätverk där C6-aldonater, som är stabila kolhydrater med sex kol, ackumuleras från olika prebiotiska sockerkällor och sedan omvandlas tillbaka till pentoser.
Den föreslagna kemiska vägen börjar med glukonat, ett stabilt C6-aldonat som kan ha varit lättillgängligt på den tidiga jorden genom kända prebiotiska omvandlingar av grundläggande sockerarter. Nästa steg är den icke-selektiva oxidationen av C6-aldonat till uronat; här betyder termen "icke-selektiv" att oxidationsprocessen inte gör skillnad mellan de olika kolatomerna i aldonatstrukturen, vilket ger fem möjliga oxidationsutfall.
Genom experiment och teoretiska analyser grävde forskarna djupt ner i de olika oxidationsprodukterna för att ta reda på detaljerna i reaktionsnätverket.
Intressant nog fann de att oavsett var oxidationen äger rum kan de resulterande uronatföreningarna alltid genomgå en intramolekylär omvandling som kallas "karbonylmigrering" tills den specifika föreningen 3-oxo-uronat bildas. När detta tillstånd väl har nåtts omvandlas 3-oxo-uronat lätt till pentos genom β-dekarboxylering i närvaro av H2 O2 och en järnhaltig katalysator, som båda är kompatibla med förhållandena på den tidiga jorden.
Efter att ha etablerat och testat hela detta komplexa reaktionsnätverk, märkte forskarna en viktig likhet med en modern biokemisk väg.
"Vi demonstrerade en icke-enzymatisk syntetisk väg för sockerarter med fem kolatomer som förlitar sig på kemiska omvandlingar som påminner om de första stegen i pentosfosfatvägen, en central metabolismväg", säger huvudförfattaren Ruiqin Yi.
"Dessa resultat visar att prebiotisk sockersyntes kan ha överlappningar med befintliga biokemiska vägar." Med tanke på att sockerarter är allestädes närvarande i modern metabolism, kunde det föreslagna reaktionsnätverket ha varit viktigt för uppkomsten av de första livliknande systemen.
Resultaten av denna studie är viktiga i samband med astrokemi och astrobiologi. Aldonater hittades rikligt i Murchison-meteoriten, en berömd kolhaltig meteorit som föll till jorden 1969.
Däremot saknades de kanoniska kolhydrater som finns i moderna biologiska system. Detta innebär att aldonater kan bildas och ackumuleras under utomjordiska förhållanden, och den aktuella studien tyder på att de kan spela en viktig roll i uppkomsten av livets byggstenar. "Vi hoppas att detta arbete kommer att forma nästa våg av astrobiologi för att fokusera på aldonatstudier", tillägger Yi.
I framtida studier kommer forskargruppen att fokusera på huruvida C6-aldonater kunde ha ackumulerats tillräckligt tidigt på jorden för att fungera som "näringsämnen" för uppkomsten av protometabolism. Ledande forskare Ruiqin Yi avslutar, "Vi vill förstå mer hur dessa aldonater kan genereras från klassiska prebiotiska sockerreaktioner, såsom formose-reaktionen och Kiliani–Fischer-homologering."
Noterbart är att dessa klassiska prebiotiska sockerreaktioner inte finns i modern metabolism, och därför kan den föreslagna icke-enzymatiska vägen fungera som en välbehövlig brygga mellan tidiga sockerarter och de kolhydrater som teoretiskt används av de första livsformerna.
Mer information: Ruiqin Yi et al, Carbonyl Migration in Uronates Affords a Potential Prebiotic Pathway for Pentos Production, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00299
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
