Hur började livet? Hur skapade kemiska reaktioner på den tidiga jorden komplexa, självreplikerande strukturer som utvecklades till levande varelser som vi känner dem?
Enligt en tankeskola fanns det före den nuvarande eran av DNA-baserat liv en sorts molekyl som kallas RNA (eller ribonukleinsyra).
RNA – som fortfarande är en avgörande komponent i livet idag – kan replikera sig själv och katalysera andra kemiska reaktioner.
Men själva RNA-molekylerna är gjorda av mindre komponenter som kallas ribonukleotider. Hur skulle dessa byggstenar ha bildats på den tidiga jorden och sedan kombinerats till RNA?
Kemister som jag försöker återskapa kedjan av reaktioner som krävs för att bilda RNA i livets gryning, men det är en utmanande uppgift. Vi vet att vilken kemisk reaktion som helst som skapade ribonukleotider måste ha kunnat ske i den röriga, komplicerade miljö som hittades på vår planet för miljarder år sedan.
Jag har studerat om "autokatalytiska" reaktioner kan ha spelat en roll. Dessa är reaktioner som producerar kemikalier som uppmuntrar samma reaktion att hända igen, vilket innebär att de kan upprätthålla sig själva under en lång rad omständigheter.
I vårt senaste arbete publicerat i Chemical Science , mina kollegor och jag har integrerat autokatalys i en välkänd kemisk väg för att producera ribonukleotidbyggstenarna, vilket troligen kunde ha hänt med de enkla molekylerna och komplexa förhållanden som fanns på den tidiga jorden.
Autokatalytiska reaktioner spelar avgörande roller i biologin, från att reglera våra hjärtslag till att bilda mönster på snäckskal. Faktum är att replikeringen av själva livet, där en cell tar in näringsämnen och energi från miljön för att producera två celler, är ett särskilt komplicerat exempel på autokatalys.
En kemisk reaktion som kallas formose-reaktionen, som först upptäcktes 1861, är ett av de bästa exemplen på en autokatalytisk reaktion som kunde ha inträffat på den tidiga jorden.
I huvudsak börjar formose-reaktionen med en molekyl av en enkel förening som kallas glykolaldehyd (gjord av väte, kol och syre) och slutar med två. Mekanismen är beroende av en konstant tillförsel av en annan enkel förening som kallas formaldehyd.
En reaktion mellan glykolaldehyd och formaldehyd gör en större molekyl, som delar av fragment som återgår till reaktionen och håller den igång. Men när formaldehyden tar slut stoppas reaktionen och produkterna börjar brytas ned från komplexa sockermolekyler till tjära.
Formose-reaktionen delar några vanliga ingredienser med en välkänd kemisk väg för att göra ribonukleotider, känd som Powner–Sutherland-vägen. Men hittills har ingen försökt koppla ihop de två – med goda skäl.
Formose-reaktionen är ökänd för att vara "oselektiv". Det betyder att den producerar många värdelösa molekyler vid sidan av de faktiska produkterna du vill ha.
I vår studie försökte vi lägga till en annan enkel molekyl som heter cyanamid till formose-reaktionen. Detta gör det möjligt för några av de molekyler som bildas under reaktionen att "sifoneras" för att producera ribonukleotider.
Reaktionen producerar fortfarande inte en stor mängd ribonukleotidbyggstenar. Men de som den producerar är mer stabila och mindre benägna att brytas ned.
Det som är intressant med vår studie är integrationen av formose-reaktionen och ribonukleotidproduktion. Tidigare undersökningar har studerat var och en separat, vilket återspeglar hur kemister brukar tänka på att göra molekyler.
Generellt sett tenderar kemister att undvika komplexitet för att maximera kvantiteten och renheten hos en produkt. Detta reduktionistiska tillvägagångssätt kan dock hindra oss från att undersöka dynamiska interaktioner mellan olika kemiska vägar.
Dessa interaktioner, som sker överallt i den verkliga världen utanför labbet, är utan tvekan bryggan mellan kemi och biologi.
Autokatalys har också industriella tillämpningar. När du tillsätter cyanamid till formose-reaktionen är en annan av produkterna en förening som kallas 2-aminooxazol, som används i kemiforskning och tillverkning av många läkemedel.
Konventionell produktion av 2-aminooxazol använder ofta cyanamid och glykolaldehyd, varav den senare är dyr. Om det kan göras med hjälp av formose-reaktionen kommer endast en liten mängd glykolaldehyd att behövas för att kickstarta reaktionen, vilket minskar kostnaderna.
Vårt labb optimerar för närvarande denna procedur i hopp om att vi kan manipulera den autokatalytiska reaktionen för att göra vanliga kemiska reaktioner billigare och effektivare, och deras farmaceutiska produkter mer tillgängliga. Kanske blir det inte lika stor sak som själva skapandet av livet, men vi tror att det ändå kan vara värt besväret.
Mer information: Quoc Phuong Tran et al, Mot en prebiotisk kemoton—nukleotidprekursorsyntes driven av den autokatalytiska formose-reaktionen, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC03185C
Journalinformation: Kemisk vetenskap
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.
