Er is veel werk verricht om te bepalen of de bouwstenen voor de huidige biologische moleculen vroeg in de geschiedenis van de Aarde gesynthetiseerd zouden kunnen zijn. Aminozuren en vetzuren zijn gevonden in meteoren, wat op deze mogelijkheid wijst. De vroege atmosfeer van de aarde zou weinig zuurstof hebben gehad, zodat de meeste componenten gereduceerd zouden moeten zijn. Waarschijnlijk bestond de atmosfeer uit methaan, ammoniak, waterstof en water, net als de atmosferen van andere planeten in ons zonnestelsel. De samenstelling van de vroege atmosfeer is nog steeds omstreden. In 1953 (hetzelfde jaar waarin Watson en Crick de structuur van dubbelstrengs DNA publiceerden) toonde Stanley Miller aan dat elektrische ontladingen (om bliksem te simuleren) in een reducerende atmosfeer boven een “gesimuleerde zee” veel aminozuren produceerden. Tot 11 verschillende aminozuren zijn op deze wijze geproduceerd, samen met purines en pyrimidines (deze vereisten geconcentreerde reactiemengsels) die nodig zijn voor nucleïnezuren. Adenine kan worden geproduceerd door de reactie van waterstofcyanide en ammoniak in een waterige oplossing. Andere nucleïnezuurbasen kunnen worden gemaakt met waterstofcyanide, cyanogeen (C2N2) en cyanoacetyleen (HC3N).
www.hencoup.com/Photo%20Stanley%20Miller.jpg
Er ontstaan geen complexe polymeren uit deze reacties. In 2004 konden Lehman, Orgel en Ghadiri echter aantonen dat in aanwezigheid van koolstofdisulfide, een gas dat vrijkomt uit vulkanen, homo- en hetero-peptiden werden geproduceerd. Amfifiele peptiden kunnen zelfs hun eigen vorming uit peptidefragmenten katalyseren, als de fragmenten worden geactiveerd. De fragmenten zouden zich binden aan het grotere “sjabloon”-peptide door niet-polaire werking van de zijketens die langs één zijde van de schroefas georiënteerd zijn. Als de fragmenten zich binden op een wijze waarbij het elektrofiele uiteinde grenst aan het nucleofiele uiteinde van het andere peptidefragment, ontstaat condensatie van de twee peptidefragmenten. Het grotere sjabloonpeptide werkt als een sjabloon (in feite als een “enzym”) bij het oriënteren van de twee fragmenten voor een chemische reactie en het effectief verhogen van hun lokale concentratie. De reactie van de gebonden fragmenten is in wezen intramoleculair. De reactie verloopt zelfs met versterking van de homochiraliteit.
Zouden de prebiotische aminozuren gepolymeriseerd kunnen zijn tot een eiwit dat zich op een soortgelijke manier kon vouwen als moderne eiwitten? Die vraag is onlangs aan de orde gesteld door Longo et al. (2013). Zij stelden de vraag of de aminozuren die gevonden zijn in Miller-type prebiotische synthese mengsel en in kometen/meteoren (Ala, Asp, Glu, Gly, Ile, Leu, Pro, Ser, Thr en Val), een beperkte set (10) vergeleken met de huidige 20 natuurlijk voorkomende aminozuur, een polymeer konden vormen dat kon vouwen. Merk op dat in deze beperkte verzameling aminozuren aromatische en basische aminozuren ontbreken. Deze eiwitten zouden zuur zijn met een lage pI en zouden, gezien het gebrek aan apolaire aromatische aminozuren, problemen kunnen hebben met het vormen van een begraven hydrofobe kern die eiwitten stabiliseert. Niettemin slaagden Longo et al. erin een proteïne te synthetiseren met een enigszins uitgebreide reeks aminozuren (12, inclusief Asn en Gln, met 70% prebiotische aminozuren). De structuur van een van de eiwitten, PV2, is hieronder afgebeeld. Het eiwit was stabieler in 2 M NaCl (vergeleken met 0,1 M), waarin het een coöperatieve thermische denaturatie vertoonde met een smeltpunt nabij 650C met behulp van differentiële scanning calorimetrie. Het eiwit had eigenschappen vergelijkbaar met die van halofiele organismen die gedijen in hoog zout. Deze eigenschappen omvatten lage pI’s en hoge negatieve ladingsdichtheid, die kation-eiwit interacties in het hoge zout milieu mogelijk maakt, en lagere stabiliteit in lage zout milieus. Eerdere oceanen waren zouter. Halofielen zijn een voorbeeld van extremeofielen die sterk vertegenwoordigd zijn in archea. Hoewel de meeste halofielen aëroob zijn, zijn sommige ook aneroob. Misschien ontstond het leven in omgevingen met een hoog zoutgehalte.
Figuur: Structuur van PV2-eiwit, bestaande uit een gereduceerd alfabet van voornamelijk prebiotische aminozuren.
Interview met Stanley Miller
Bijdragers
- Prof. Henry Jakubowski (College of St. Benedict/St. John’s University)