Odkrywanie tajemnicy syntezy cukrów przed życiem

Pojawienie się życia na Ziemi z prostych substancji chemicznych jest jednym z najbardziej ekscytujących i wymagających tematów w biochemii, a być może i całej nauce. Współczesne formy życia potrafią przekształcać składniki odżywcze w wszelkiego rodzaju związki poprzez złożone sieci chemiczne; Co więcej, mogą katalizować bardzo specyficzne przemiany za pomocą enzymów, uzyskując bardzo precyzyjną kontrolę nad wytwarzanymi cząsteczkami. Jednak enzymy nie istniały, zanim pojawiło się życie i stało się bardziej złożone. Jest zatem prawdopodobne, że na wcześniejszym etapie historii Ziemi istniało wiele nieenzymatycznych sieci chemicznych, które mogły przekształcać środowiskowe składniki odżywcze w związki wspierające pierwotne funkcje podobne do komórek.

Instalacja pentosów jest doskonałym przykładem powyższego scenariusza. Te proste cukry, zawierające zaledwie pięć atomów węgla, są elementami budulcowymi kwasu rybonukleinowego (RNA) i innych cząsteczek niezbędnych do życia, jakie znamy. Naukowcy proponowali i badali różne sposoby wytwarzania związków pentozowych przed powstaniem życia, ale obecne teorie nasuwają pytanie: w jaki sposób związki pentozowe mogły gromadzić się w ilościach wystarczających do udziału w reakcjach poprzedzających życie, skoro związki te były tak krótkotrwałe?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, zespół badawczy kierowany przez naukowca Ruiqina Yi z ELSI przeprowadził niedawno badanie w celu znalezienia alternatywnego wyjaśnienia pochodzenia i ciągłego dostarczania pentosów na wczesnej Ziemi. Zbadali niezawierającą enzymów sieć chemiczną, w której aldony C6, stabilny sześciowęglowy węglowodan, gromadzą się z różnych prebiotycznych źródeł cukru, a następnie przekształcają się z powrotem w pentozy.

Proponowany szlak chemiczny rozpoczyna się od glukonianu, stabilnego aldonianu C6, który mógł być łatwo dostępny na wczesnej Ziemi w wyniku znanych biotransformacji podstawowych cukrów. Następnym etapem jest nieselektywne utlenianie aldonu C6 do uronianów; W tym przypadku termin „nieselektywny” oznacza, że ​​proces utleniania nie rozróżnia różnych atomów węgla w strukturze aldonianu, pozostawiając pięć możliwych wyników utleniania.

Poprzez eksperymenty i analizy teoretyczne naukowcy zagłębili się w różne produkty utleniania, aby poznać szczegóły sieci reakcji. Co ciekawe, odkryli, że niezależnie od tego, gdzie zachodzi utlenianie, powstałe związki uronianowe zawsze mogą przejść wewnątrzcząsteczkową transformację znaną jako „migracja karbonylu”, aż do utworzenia specyficznego związku – 3-oksouronianu. Po osiągnięciu tego stanu 3-oksouronian łatwo przekształca się w pentozę poprzez β-dekarboksylację w obecności H₂Hej₂ i katalizator żelazny, oba zgodne z wczesnymi warunkami ziemskimi.

Po stworzeniu i przetestowaniu całej złożonej sieci reakcji naukowcy zauważyli istotne podobieństwo do współczesnego szlaku biochemicznego. „Wykazaliśmy nieenzymatyczny szlak syntezy cukrów pięciowęglowych oparty na przemianach chemicznych przypominających pierwsze etapy szlaku pentozofosforanowego, podstawowego szlaku metabolizmu” – podkreśla główny autor Ruiqin Yi. „Wyniki te pokazują, że prebiotyczna glukoneogeneza może zakłócać istniejące szlaki biochemiczne”. Biorąc pod uwagę, że cukry są wszechobecne we współczesnym metabolizmie, możliwe jest, że proponowana sieć reakcji odegrała ważną rolę w powstaniu pierwszych systemów przypominających życie.

Wyniki tego badania są ważne w kontekście astrobiologii i astrobiologii. Aldony znaleziono w dużych ilościach w meteorycie Murchison, słynnym meteorycie węglowym, który spadł na Ziemię w 1969 roku. Natomiast brakowało mu niezbędnych węglowodanów występujących we współczesnych układach biologicznych. Oznacza to, że aldoliny mogą tworzyć się i gromadzić w warunkach pozaziemskich, a obecne badania sugerują, że mogą one odgrywać ważną rolę w powstawaniu elementów budulcowych życia. „Mamy nadzieję, że ta praca stanowić będzie kolejną falę astrobiologii skupiającą się na badaniach nad aldoliną” – dodaje Yi.

W przyszłych badaniach zespół badawczy skoncentruje się na tym, czy adoliny C6 zgromadziły się na wczesnej Ziemi w wystarczającej ilości, aby służyć jako „składniki odżywcze” dla powstania pierwotnego metabolizmu. Główny badacz Ruqin Yi podsumowuje: „Chcemy lepiej zrozumieć, w jaki sposób aldoliny można wytwarzać w wyniku klasycznych reakcji prebiotycznych glikacji, takich jak reakcja formozowa i jednorodność Kilianiego-Fishera”. Warto zauważyć, że te prebiotyczne reakcje cukrowe nie występują we współczesnym metabolizmie, a zatem proponowany szlak nieenzymatyczny może służyć jako bardzo potrzebny pomost między wczesnymi cukrami i węglowodanami, teoretycznie wykorzystywanymi przez wczesne formy życia.