Wiele pracy wykonano w celu ustalenia, czy bloki budulcowe dla obecnych cząsteczek biologicznych mogły zostać zsyntetyzowane we wczesnej historii Ziemi. Aminokwasy i kwasy tłuszczowe zostały znalezione w meteorach, co sugeruje taką możliwość. Wczesna atmosfera Ziemi miała mało tlenu, więc większość składników powinna być zredukowana. Prawdopodobnie składała się ona z metanu, amoniaku, wodoru i wody, podobnie jak atmosfery innych planet w naszym Układzie Słonecznym. Skład wczesnej atmosfery jest wciąż sporny. W 1953 r. (w tym samym roku, w którym Watson i Crick opublikowali strukturę dwuniciowego DNA) Stanley Miller wykazał, że wyładowania elektryczne (symulujące wyładowania atmosferyczne) w redukującej się atmosferze nad „symulowanym morzem” wytworzyły wiele aminokwasów. W ten sposób wyprodukowano do 11 różnych aminokwasów wraz z purynami i pirymidynami (te wymagały skoncentrowanych mieszanin reakcyjnych) niezbędnymi do produkcji kwasów nukleinowych. Adenina może być produkowana poprzez reakcję cyjanowodoru i amoniaku w roztworze wodnym. Inne zasady kwasów nukleinowych można wytworzyć za pomocą cyjanowodoru, cyjanogenu (C2N2) i cyjanoacetylenu (HC3N).
www.hencoup.com/Photo%20Stanley%20Miller.jpg
W wyniku tych reakcji nie powstają żadne złożone polimery. Jednak w 2004 roku Lehman, Orgel i Ghadiri zdołali wykazać, że w obecności dwusiarczku węgla, gazu uwalnianego z wulkanów, powstają homo- i hetero-peptydy. Peptydy amfifilowe mogą nawet katalizować własne powstawanie z fragmentów peptydów, jeśli te fragmenty są aktywowane. Fragmenty wiązałyby się z większym peptydem „szablonowym” poprzez niepolarne oddziaływania łańcuchów bocznych, które są zorientowane wzdłuż jednej strony osi helikalnej. Jeśli fragmenty wiążą się w sposób, w którym koniec elektrofilowy sąsiaduje z nukleofilowym końcem innego fragmentu peptydowego, dochodzi do kondensacji dwóch fragmentów peptydowych. Większy peptyd szablonowy działa jak szablon (efektywnie jak „enzym”) orientując oba fragmenty do reakcji chemicznej i efektywnie zwiększając ich lokalne stężenie. Reakcja zwi±zanych fragmentów jest zasadniczo wewn±trzcząsteczkowa. Reakcja przebiega nawet z amplifikacją homochiralności.
Czy prebiotyczne aminokwasy mogły spolimeryzować w białko, które mogłoby się złożyć w sposób podobny do współczesnych białek? To pytanie zostało ostatnio podjęte przez Longo et al (2013). Zadali oni pytanie, czy aminokwasy znalezione w mieszaninie prebiotycznej syntezy typu Millera oraz w kometach/meteorach (Ala, Asp, Glu, Gly, Ile, Leu, Pro, Ser, Thr i Val), ograniczony zestaw (10) w porównaniu do obecnych 20 naturalnie występujących aminokwasów, mogły utworzyć polimer, który mógłby się złożyć. Zauważmy, że w tym zredukowanym zestawie aminokwasów brakuje aminokwasów aromatycznych i zasadowych. Białka te byłyby kwaśne z niskim pI i mogą mieć problemy, biorąc pod uwagę brak niepolarnych aminokwasów aromatycznych, w tworzeniu pochowanego rdzenia hydrofobowego, które stabilizują białka. Niemniej jednak Longo i wsp. udało się zsyntetyzować białko o nieco rozszerzonym zestawie aminokwasów (12, w tym Asn i Gln, z 70% aminokwasów prebiotycznych). Struktura jednego z tych białek, PV2, przedstawiona jest poniżej. Białko to było bardziej stabilne w 2 M NaCl (w porównaniu do 0,1 M), w którym wykazywało kooperatywną denaturację termiczną z temperaturą topnienia bliską 650C przy użyciu skaningowej kalorymetrii różnicowej. Białko miało właściwości podobne do białek pochodzących z organizmów halofilnych, które rozwijają się w wysokim zasoleniu. Właściwości te obejmują niskie pIs i wysoką gęstość ładunku ujemnego, co umożliwia interakcje kation-białko w środowisku o wysokim zasoleniu, a niższą stabilność w środowisku o niskim zasoleniu. Wcześniejsze oceany były bardziej słone. Halofile są przykładem ekstremofili, które są silnie reprezentowane w archeach. Chociaż większość halofilów jest aerobowa, niektóre są anerobowe. Być może życie powstało w środowiskach o wysokim zasoleniu.
Rysunek: Struktura białka PV2 złożonego ze zredukowanego alfabetu głównie prebiotycznych aminokwasów.
Wywiad ze Stanleyem Millerem
Współautorzy
- Prof. Henry Jakubowski (College of St. Benedict/St. John’s University)
.