Hoe zijn de bouwstenen van het leven ontstaan?

Deze vraag houdt wetenschappers al lang bezig. De vroege aarde was bezaaid met plassen water die rijk waren aan chemicaliën – een oersoep. Toch kwamen er uit de mengsels biomoleculen tevoorschijn die het leven ondersteunden, wat de weg vrijmaakte voor het verschijnen van de eerste cellen.

Het leven kreeg een kickstart toen er twee componenten ontstonden. Eén ervan was een moleculaire drager, zoals bijvoorbeeld DNA, om genetische blauwdrukken door te geven en te remixen. De andere component bestond uit eiwitten, de werkpaarden en structurele elementen van het lichaam.

Beide biomoleculen zijn zeer complex. Bij mensen heeft DNA vier verschillende chemische ‘letters’, nucleotiden genoemd, terwijl eiwitten uit twintig soorten aminozuren bestaan. De componenten hebben verschillende structuren en voor het maken ervan zijn enigszins verschillende chemieën nodig. De eindproducten moeten in voldoende grote hoeveelheden aanwezig zijn om ze aan elkaar te rijgen tot DNA of eiwitten.

Wetenschappers kunnen de componenten in het laboratorium zuiveren met behulp van additieven. Maar het roept de vraag op: hoe gebeurde het op de vroege aarde?

Het antwoord, suggereert dr. Christof Mast, een onderzoeker aan de Ludwig Maximilians Universiteit van München, kan bestaan ​​uit scheuren in rotsen zoals die voorkomen in de vulkanen of geothermische systemen die op de vroege aarde overvloedig aanwezig waren. Het is mogelijk dat temperatuurverschillen langs de scheuren de componenten van biomoleculen op natuurlijke wijze scheiden en concentreren, waardoor een passief systeem ontstaat om biomoleculen te zuiveren.

Geïnspireerd door de geologie ontwikkelde het team warmtestroomkamers die ongeveer zo groot waren als een bankpas, elk met minuscule breukjes met een temperatuurgradiënt. Wanneer een mengsel van aminozuren of nucleotiden werd gegeven – een ‘prebiotische mix’ – scheidden de componenten zich gemakkelijk.

Door meer kamers toe te voegen, werden de chemicaliën verder geconcentreerd, zelfs als ze qua structuur vergelijkbaar waren. Het netwerk van breuken zorgde er ook voor dat aminozuren zich konden binden, de eerste stap op weg naar het creëren van een functioneel eiwit.

“Er wordt aangenomen dat systemen van onderling verbonden dunne breuken en scheuren alomtegenwoordig zijn in vulkanische en geothermische omgevingen,” schreef het team. Door de prebiotische chemicaliën te verrijken, hadden dergelijke systemen ‘een constante drijvende kracht kunnen zijn voor een laboratorium voor de natuurlijke oorsprong van het leven’.

Leven brouwen

Ongeveer vier miljard jaar geleden was de aarde een vijandige omgeving, geteisterd door meteorieten en vol vulkaanuitbarstingen. Maar op de een of andere manier genereerde de chemie in deze chaos de eerste aminozuren, nucleotiden, vetlipiden en andere bouwstenen die het leven ondersteunen.

Welke chemische processen die aan deze moleculen hebben bijgedragen, staan ​​ter discussie. . Iedereen die langskwam, is ook een raadsel. Net als een ‘kip-of-ei’-probleem sturen DNA en RNA de aanmaak van eiwitten in cellen aan – maar beide genetische dragers hebben ook eiwitten nodig om zich te kunnen vermenigvuldigen.

Eén theorie suggereert sulfidische anionen, moleculen die overvloedig aanwezig waren in de meren en rivieren van de vroege aarde, zouden de link kunnen zijn. Ze worden gegenereerd bij vulkaanuitbarstingen en kunnen, eenmaal opgelost in waterpoelen, chemische reacties versnellen die prebiotische moleculen omzetten in RNA. Het idee, ook wel de ‘RNA-wereld’-hypothese genoemd, suggereert dat RNA het eerste biomolecuul was dat de aarde sierde, omdat het genetische informatie kan vervoeren en bepaalde chemische reacties kan versnellen.

Een ander idee zijn meteoorinslagen op vroege aarde die tegelijkertijd nucleotiden, lipiden en aminozuren genereren, via een proces dat twee overvloedige chemicaliën omvat – een van meteoren en een andere van de aarde – en een vleugje UV-licht.

Maar er is één probleem: elke set bouwstenen vereist een andere chemische reactie. Afhankelijk van kleine verschillen in structuur of chemie is het mogelijk dat de ene geografische locatie de voorkeur geeft aan het ene type prebiotische molecuul ten opzichte van het andere.

Hoe? Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in NATUUR, biedt een antwoord.

Tunnelnetwerken

Laboratoriumexperimenten die de vroege aarde nabootsen, beginnen meestal met goed gedefinieerde ingrediënten die al zijn gezuiverd. Wetenschappers ruimen ook tussenproducten op, vooral voor meerdere chemische reactiestappen.

Het proces resulteert vaak in “verdwijnend kleine concentraties van het gewenste product”, of de creatie ervan kan zelfs volledig worden geremd, schreef het team. De reacties vereisen ook meerdere ruimtelijk gescheiden kamers, die nauwelijks lijken op de natuurlijke omgeving van de aarde.

De nieuwe studie was geïnspireerd op de geologie. De vroege aarde had complexe netwerken van met water gevulde scheuren die werden aangetroffen in een verscheidenheid aan rotsen in vulkanen en geothermische systemen. De scheuren, veroorzaakt door oververhitte rotsen, vormden natuurlijke ‘rietjes’ die mogelijk een complexe mix van moleculen konden filteren met behulp van een warmtegradiënt.

Elk molecuul geeft de voorkeur aan een voorkeurstemperatuur op basis van zijn grootte en elektrische lading. Wanneer hij wordt blootgesteld aan verschillende temperaturen, beweegt hij zich op natuurlijke wijze naar zijn ideale keuze. Dit proces heet thermoforese en scheidt een soep van ingrediënten in één stap in meerdere afzonderlijke lagen.

Het team bootste een enkele dunne rotsbreuk na met behulp van een warmtestroomkamer. De kamer was ongeveer zo groot als een bankpas en had kleine scheurtjes van 170 micrometer breed, ongeveer zo breed als een mensenhaar. Om een ​​temperatuurgradiënt te creëren, werd de ene kant van de kamer verwarmd tot 104 graden Fahrenheit en het andere uiteinde gekoeld tot 77 graden Fahrenheit.

In een eerste test voegde het team een ​​mix van prebiotische verbindingen, waaronder aminozuren en DNA-nucleotiden, toe aan de kamer. Na 18 uur scheidden de componenten zich in lagen zoals tiramisu. Glycine – het kleinste aminozuur – werd bijvoorbeeld naar de bovenkant geconcentreerd, terwijl andere aminozuren met een hogere thermoforetische sterkte aan de onderkant bleven plakken. Op dezelfde manier zijn DNA-letters en andere levensonderhoudende chemicaliën ook in de scheuren gescheiden, waarvan sommige tot 45 procent verrijkt zijn.

Hoewel veelbelovend, leek het systeem niet op de vroege aarde, die sterk onderling verbonden scheuren had die in grootte varieerden. Om de natuurlijke omstandigheden beter na te bootsen, heeft het team vervolgens drie kamers aangelegd, waarbij de eerste zich vertakte in twee andere. Dit was ongeveer 23 keer efficiënter in het verrijken van prebiotische chemicaliën dan een enkele kamer.

Met behulp van een computersimulatie modelleerde het team vervolgens het gedrag van een 20 bij 20 onderling verbonden kamersysteem, met behulp van een realistische stroomsnelheid van prebiotische chemicaliën. De kamers verrijkten het brouwsel verder, waarbij glycine meer dan 2,000 keer meer verrijkte dan andere aminozuren.

Chemische reacties

Schonere ingrediënten zijn een goed begin voor de vorming van complexe moleculen. Maar veel chemische reacties vereisen extra chemicaliën, die ook verrijkt moeten worden. Hier concentreerde het team zich op een reactie waarbij twee glycinemoleculen aan elkaar werden gehecht.

In het hart bevindt zich trimetafosfaat (TMP), dat de reactie helpt begeleiden. TMP is vooral interessant voor de prebiotische chemie, en was schaars op de vroege aarde, legt het team uit, wat ‘de selectieve verrijking ervan cruciaal maakt’. Een enkele kamer verhoogde de TMP-niveaus bij menging met andere chemicaliën.

Met behulp van een computersimulatie verhoogde een mengsel van TMP en glycine het eindproduct – een verdubbelde glycine – met vijf ordes van grootte.

“Deze resultaten laten zien dat prebiotische reacties die anders lastig zouden zijn, enorm worden versterkt” met warmtestromen die chemicaliën in verschillende regio’s selectief verrijken, schreef het team.

In totaal testten ze meer dan 50 prebiotische moleculen en ontdekten dat de breuken ze gemakkelijk van elkaar scheidden. Omdat elke scheur een andere mix van moleculen kan hebben, zou dit de opkomst van meerdere levensondersteunende bouwstenen kunnen verklaren.

Toch blijft het mysterieus hoe de bouwstenen van het leven samenkwamen om organismen te vormen. Warmtestromen en rotsspleten zijn waarschijnlijk slechts een stukje van de puzzel. De ultieme test zal zijn om te zien of en hoe deze gezuiverde prebiotica zich verbinden om een ​​cel te vormen.

Beeldcredits: Christof B. Mast

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/