Paljon työtä on tehty sen selvittämiseksi, olisivatko nykyisten biologisten molekyylien rakennusaineet voineet syntetisoitua jo varhain maapallon historiassa. Aminohappoja ja rasvahappoja on löydetty meteoreista, mikä viittaa tähän mahdollisuuteen. Maan varhaisessa ilmakehässä olisi ollut vain vähän happea, joten useimpien ainesosien olisi pitänyt olla pelkistyneitä. Se koostui todennäköisesti metaanista, ammoniakista, vedystä ja vedestä, kuten aurinkokuntamme muiden planeettojen ilmakehät. Varhaisen ilmakehän koostumus on edelleen kiistanalainen. Vuonna 1953 (samana vuonna, kun Watson ja Crick julkaisivat kaksisäikeisen DNA:n rakenteen) Stanley Miller osoitti, että ”simuloidun meren” pelkistävässä ilmakehässä tapahtuvat sähköpurkaukset (jotka simuloivat valaistusta) tuottivat monia aminohappoja. Tällä tavoin on tuotettu jopa 11 erilaista aminohappoa sekä nukleiinihappoja varten tarvittavia puriineja ja pyrimidiinejä (nämä vaativat väkeviä reaktioseoksia). Adeniinia voidaan valmistaa yksinkertaisesti reagoimalla syaanivetyä ja ammoniakkia vesiliuoksessa. Muita nukleiinihapon emäksiä voidaan valmistaa syaanivedyn, syanogeenin (C2N2) ja syanoasetyleenin (HC3N) avulla.
www.hencoup.com/Photo%20Stanley%20Miller.jpg
Näissä reaktioissa ei synny monimutkaisia polymeerejä. Vuonna 2004 Lehman, Orgel ja Ghadiri pystyivät kuitenkin osoittamaan, että tulivuorista purkautuvan kaasun, hiilidisulfidin, läsnä ollessa syntyy homo- ja heteropeptidejä. Amfifiiliset peptidit voivat jopa katalysoida omaa muodostumistaan peptidifragmenteista, jos fragmentit aktivoidaan. Fragmentit sitoutuisivat suurempaan ”malli”-peptidiin niiden sivuketjujen ei-polaaristen vaikutusten kautta, jotka ovat suuntautuneet kierteisten akselien toiselle puolelle. Jos fragmentit sitoutuvat siten, että elektrofiilinen pää on toisen peptidifragmentin nukleofiilisen pään vieressä, tuloksena on kahden peptidifragmentin tiivistyminen. Suurempi templaattipeptidi toimii templaattina (käytännössä ”entsyyminä”) suuntaamalla kaksi fragmenttia kemiallista reaktiota varten ja lisäämällä tehokkaasti niiden paikallista pitoisuutta. Sidottujen fragmenttien reaktio on pääasiassa intramolekulaarinen. Reaktio etenee jopa homokiraliteetin vahvistuessa.
Olisivatko prebioottiset aminohapot polymerisoituneet proteiiniksi, joka olisi voinut taittua nykyproteiinien kaltaisella tavalla? Tätä kysymystä ovat hiljattain käsitelleet Longo et al (2013). He esittivät kysymyksen, voisivatko Miller-tyyppisessä prebioottisessa synteesiseoksessa ja komeetoista/meteoreista löytyneet aminohapot (Ala, Asp, Glu, Gly, Ile, Leu, Pro, Ser, Thr ja Val), eli rajoitettu joukko (10) verrattuna nykyiseen 20 luonnossa esiintyvään aminohappoon, muodostaa polymeerin, joka voisi taittua. Huomaa, että tästä suppeammasta aminohappojen joukosta puuttuvat aromaattiset ja emäksiset aminohapot. Nämä proteiinit olisivat happamia ja niiden pI-arvo olisi alhainen, ja koska ei-polaariset aromaattiset aminohapot puuttuvat, niillä voisi olla vaikeuksia muodostaa hautautunutta hydrofobista ydintä, joka stabiloi proteiineja. Longo et al. pystyivät kuitenkin syntetisoimaan proteiinin, jossa oli hieman laajennettu aminohappojen joukko (12, mukaan lukien Asn ja Gln, 70 % prebioottisia aminohappoja). Yhden proteiinin, PV2:n, rakenne on esitetty alla. Proteiini oli vakaampi 2 M NaCl:ssä (verrattuna 0,1 M NaCl:iin), jossa se osoitti yhteistoiminnallista termistä denaturoitumista sulamispisteen ollessa lähellä 650 C:ta differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian avulla. Proteiinilla oli samanlaisia ominaisuuksia kuin korkeassa suolapitoisuudessa viihtyvillä halofiilisillä organismeilla. Näihin ominaisuuksiin kuuluvat alhaiset pI-arvot ja suuri negatiivinen varaustiheys, mikä mahdollistaa kationi-proteiini-interaktiot korkeasuolaisessa ympäristössä, ja alhaisempi stabiilisuus matalasuolaisessa ympäristössä. Aikaisemmat valtameret olivat suolaisempia. Halofiilit ovat esimerkki extremeofiileistä, jotka ovat vahvasti edustettuina arkeeisissa merissä. Vaikka useimmat halofiilit ovat aerobisia, jotkut ovat anerobisia. Ehkä elämä syntyi korkeasuolaisissa ympäristöissä.
Kuva: PV2-proteiinin rakenne, joka koostuu pääasiassa prebioottisten aminohappojen pelkistetyistä aakkosista.
Haastattelu Stanley Millerin kanssa
Tekijät
- Prof. Henry Jakubowski (College of St. Benedict/St. John’s University)