Wissenschaftler entdecken neue chemische Reaktionen am „Ursprung des Lebens“.

Vor vier Milliarden Jahren sah die Erde ganz anders aus als heute, ohne Leben und von einem riesigen Ozean bedeckt. In dieser Ursuppe entstand im Laufe von Jahrmillionen das Leben. Forscher haben lange theoretisiert, wie Moleküle zusammenkamen, um diesen Übergang auszulösen. Jetzt haben Wissenschaftler von Scripps Research eine neue Reihe chemischer Reaktionen entdeckt, bei denen Cyanid, Ammoniak und Kohlendioxid verwendet werden, von denen angenommen wird, dass sie alle auf der frühen Erde verbreitet sind, um Aminosäuren und Nukleinsäuren, die Bausteine ​​von Proteinen und DNA, zu erzeugen.

„Wir haben uns ein neues Paradigma ausgedacht, um diesen Wechsel von der präbiotischen zur biotischen Chemie zu erklären“, sagt Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., außerordentlicher Professor für Chemie bei Scripps Research und Hauptautor der neuen Veröffentlichung, die am 28. Juli veröffentlicht wurde , 2022 in der Zeitschrift Naturchemie. „Wir denken, dass die Art von Reaktionen, die wir beschrieben haben, wahrscheinlich auf der frühen Erde hätte passieren können.“

Die neu entdeckten chemischen Reaktionen geben Forschern nicht nur einen Einblick in die Chemie der frühen Erde, sondern sind auch bei bestimmten Herstellungsprozessen nützlich, beispielsweise bei der Erzeugung von kundenspezifisch markierten Biomolekülen aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien.

Anfang des Jahres zeigte Krishnamurthys Gruppe, wie Cyanid die chemischen Reaktionen ermöglichen kann, die präbiotische Moleküle und Wasser in lebensnotwendige organische Verbindungen umwandeln. Im Gegensatz zu zuvor vorgeschlagenen Reaktionen funktionierte diese bei Raumtemperatur und in einem weiten pH-Bereich. Die Forscher fragten sich, ob es unter den gleichen Bedingungen eine Möglichkeit gäbe, Aminosäuren zu erzeugen, komplexere Moleküle, aus denen Proteine ​​in allen bekannten lebenden Zellen bestehen.

In heutigen Zellen werden Aminosäuren aus Vorläufern, sogenannten α-Ketosäuren, unter Verwendung von Stickstoff und spezialisierten Proteinen, sogenannten Enzymen, erzeugt. Forscher haben Beweise dafür gefunden, dass α-Ketosäuren wahrscheinlich früh in der Erdgeschichte existierten. Viele haben jedoch die Hypothese aufgestellt, dass Aminosäuren vor dem Aufkommen des zellulären Lebens aus völlig anderen Vorläufern, Aldehyden, und nicht aus α-Ketosäuren, erzeugt worden sein müssen, da Enzyme zur Durchführung der Umwandlung noch nicht existierten. Aber diese Idee hat zu einer Debatte darüber geführt, wie und wann der Wechsel von Aldehyden zu α-Ketosäuren als Hauptbestandteil für die Herstellung von Aminosäuren erfolgte.

Nach ihrem Erfolg bei der Verwendung von Cyanid zum Antreiben anderer chemischer Reaktionen vermuteten Krishnamurthy und seine Kollegen, dass Cyanid auch ohne Enzyme dazu beitragen könnte, α-Ketosäuren in Aminosäuren umzuwandeln. Da sie wussten, dass Stickstoff in irgendeiner Form benötigt wird, fügten sie Ammoniak hinzu – eine Form von Stickstoff, die auf der frühen Erde vorhanden gewesen wäre. Dann entdeckten sie durch Versuch und Irrtum einen dritten Schlüsselbestandteil: Kohlendioxid. Mit dieser Mischung begannen sie schnell zu sehen, wie sich Aminosäuren bildeten.

„Wir hatten erwartet, dass es ziemlich schwierig sein würde, dies herauszufinden, und es stellte sich als noch einfacher heraus, als wir es uns vorgestellt hatten“, sagt Krishnamurthy. „Wenn Sie nur die Ketosäure, Cyanid und Ammoniak mischen, bleibt es einfach da. Sobald Sie Kohlendioxid hinzufügen, sogar Spurenmengen, nimmt die Reaktion Fahrt auf.“

Da die neue Reaktion relativ ähnlich zu dem ist, was heute in Zellen auftritt – abgesehen davon, dass sie von Cyanid anstelle eines Proteins angetrieben wird – scheint sie eher die Quelle des frühen Lebens zu sein als drastisch unterschiedliche Reaktionen, sagen die Forscher. Die Forschung trägt auch dazu bei, zwei Seiten einer langjährigen Debatte über die Bedeutung von Kohlendioxid für das frühe Leben zusammenzubringen und zu dem Schluss zu kommen, dass Kohlendioxid der Schlüssel war, jedoch nur in Kombination mit anderen Molekülen.

Bei der Untersuchung ihrer chemischen Suppe entdeckte Krishnamurthys Gruppe, dass ein Nebenprodukt derselben Reaktion Orotat ist, ein Vorläufer von Nukleotiden, aus denen DNA und RNA bestehen. Dies deutet darauf hin, dass dieselbe Ursuppe unter den richtigen Bedingungen eine große Anzahl der Moleküle hervorgebracht haben könnte, die für die Schlüsselelemente des Lebens erforderlich sind.

„Als nächstes wollen wir weiter untersuchen, welche Art von Chemie aus dieser Mischung entstehen kann“, sagt Krishnamurthy. „Können Aminosäuren anfangen, kleine Proteine ​​zu bilden? Könnte eines dieser Proteine ​​zurückkommen und anfangen, als Enzym zu fungieren, um mehr dieser Aminosäuren herzustellen?“

Neben Krishnamurthy sind die Autoren der Studie „Prebiotic Synthesis of α-Amino Acids and Orotate from α-Ketoacids Potentiates Transition to Extant Metabolic Pathways“ Sunil Pulletikurti, Mahipal Yadav und Greg Springsteen.