Otázka, jak se život na Zemi poprvé objevil, je otázkou, kterou si lidé kladou od nepaměti. Zatímco vědci jsou relativně přesvědčeni o tom, kdy se to stalo, neexistuje žádná definitivní odpověď na to, proč se to stalo. Jak se před zhruba čtyřmi miliardami let spojily aminokyseliny, chemické stavební kameny života, a vytvořily první molekuly bílkovin?
Zatímco tato otázka stále není zodpovězena, vědci činí nové objevy, které by ji mohly pomoci zúžit. Například tým výzkumníků z Georgia Institute of Technology Centrum pro chemickou evoluci (CCT) nedávno provedl studie který ukázal, jak se někteří z prvních předchůdců molekuly proteinu mohli spontánně spojit a vytvořit řetězec.
Studie se nedávno objevila v Proceedings of the National Academy of Sciences . Studii vedl Dr. Moran Frenkel-Pinter z Georgia Tech a zahrnovalo několik výzkumníků z CCT – který je podporován NASA a National Science Foundation (NSF) – s pomocí Dr. Luke Leman , a odborný asistent chemie na Scrippsův výzkum , neziskový lékařský výzkumný ústav.
Zemský hadejský eon je pro nás trochu záhadou, protože geologické důkazy z té doby jsou vzácné. Vědci z Australské národní univerzity použili drobná zirkonová zrnka, aby získali lepší obrázek o rané Zemi. Kredit: NASA
Po desetiletí měli vědci teorie o tom, jak se první aminokyseliny spojily a vytvořily molekuly bílkovin. Bohužel všechny pokusy o ověření těchto teorií zatím selhaly. Jako Dr. Leman vysvětlil :
„Jak chemie vedla ke složitému životu, je jednou z nejvíce fascinujících otázek, nad kterými lidstvo přemýšlelo. Existuje mnoho teorií o původu proteinů, ale ne tolik experimentální laboratorní podpory pro tyto myšlenky.“
Pro svou studii provedl výzkumný tým experiment, ve kterém byl malý výběr aminokyselin (lysin, arginin a histidin) umístěn spolu se třemi nebiologickými kompetitivními aminokyselinami. Kyseliny pak byly vystaveny podmínkám podobným tomu, o čem se věří, že existovaly na Zemi během hadejského Eonu (asi před 4 miliardami let).
To spočívalo v umístění vybraných aminokyselin do vody obsahující hydroxykyseliny, o kterých je známo, že usnadňují reakce aminokyselin a které by byly běžné na prebiotické Zemi. Směs se poté zahřeje na 85 °C°C (185°F), což urychlilo reakční proces a způsobilo odpaření vody. Výsledné chemické reakce byly poté studovány.
Stavební kameny života se mohly na prvotní Zemi vytvořit spontánně. Kredit: ocean.si.edu
K jejich překvapení se biologické aminokyseliny spontánně zformovaly do čistých segmentů, které se spojily prostřednictvím a-aminových skupin. Tyto skupiny jsou ty, které jsou vyrobeny z dusíku a vodíku a jsou poměrně reaktivní. Jsou však také součástí jádra aminokyselin a další aminy, které tvoří postranní řetězce, které vycházejí z jádra (které byly použity v tomto experimentu), jsou často reaktivnější. Jako Dr. Frenkel-Pinter řekl :
'Překvapilo nás, že tato chemie upřednostňuje spojení ?-aminů nalezené v proteinech, i když nás chemické principy mohly vést k domněnce, že by bylo upřednostňováno spojení neproteinové.' Preference pro vazbu podobnou proteinu před neproteinovou byla asi sedm ku jedné.
Dalším překvapením byl fakt, že biologické aminokyseliny v reaktivitě porazily ty nebiologické. Posledně jmenované kyseliny, které se dnes v proteinech nenacházejí, měly potenciál chemicky reagovat stejně dobře (nebo lépe než) ty biologické. A co víc, tým předpokládal, že zahrnutí těchto kyselin by těm biologickým dalo zabrat a mohlo by dokonce vést k vytvoření nových proteinů.
Reakce však vedly většinou k vytvoření peptidů (dva nebo více aminokyselinových stavebních bloků spojených dohromady), které byly blíže dnešním skutečným proteinům. Konkrétně se výzkumníci domnívali, že nebiologické aminokyseliny by překonaly biologickou aminokyselinu známou jako lysin a že lysin by nebyl schopen spolehlivě tvořit řetězce.
Umělecké ztvárnění raného Měsíce a Země, které utrpělo mnoho dopadů asteroidů. Kredit: Simone Marchi (SwRI)/SSERVI/NASA
V obou případech se mýlili a místo toho zjistili, že lysin převážně šel do řetězců způsobem, který je podobný tomu, co se dnes děje s proteiny. Na základě toho tým předpokládal, že prefabrikované řetězce aminokyselin, které jsou užitečné v živých systémech, se vyvinuly dříve, než život našel způsob, jak vytvořit proteiny.
Skutečnost, že jejich experiment ukázal, že biologické aminokyseliny jsou preferovány před nebiologickými, může také nabídnout nový pohled na to, proč právě 20 aminokyselin vstoupilo do formování života. Vědci se domnívají, že během hadejského Eonu bylo na Zemi více než 500 přirozeně se vyskytujících kyselin. Loren Williams, profesor biochemie na Georgia Tech, vysvětlit A d :
„Naše představa je, že život začal s mnoha stavebními kameny, které tam byly, a vybral z nich podmnožinu, ale nevíme, kolik toho bylo vybráno na základě čisté chemie nebo kolik biologických procesů provedl výběr. Při pohledu na tuto studii se zdá, že dnešní biologie může odrážet tyto rané prebiotické chemické reakce více, než jsme si mysleli.'
'Na prebiotické Zemi by byla mnohem větší sada aminokyselin.' Je na těchto 20 aminokyselinách něco zvláštního, nebo jen v určitém okamžiku zamrzly evolucí? Stručně řečeno, experiment naznačuje, že druhy aminokyselin používaných v proteinech se s větší pravděpodobností spojí, protože spolu reagují efektivněji a mají málo neefektivních vedlejších reakcí.
První aminokyseliny se pravděpodobně vytvořily ve vodě s hydroxykyselinami, které byly poté vystaveny suchým podmínkám. Kredit: David A. Aguilar (CfA)
Stručně řečeno, experiment naznačuje, že druhy aminokyselin používaných v proteinech se s větší pravděpodobností spojí, protože spolu reagují efektivněji a mají málo neefektivních vedlejších reakcí. Také to dodává další důvěryhodnost teorii, že většina biologických polymerů se vytvářela v mokrých a suchých cyklech, což je něco, o čem výzkumníci CCT argumentovali už léta.
Tato teorie, která tvrdí, že první proteiny se objevily na deštěm zavátých hliněných plochách nebo na sluncem vypálených skalách jezerních břehů, je v rozporu s konvenčnějším příběhem, že stavební kameny života se spoléhají na vzácné a kataklyzmatické události, stejně jako na četné přísady v aby se vynořil. Tím, že se ukázalo, že se pravděpodobně bude jednat o mnohem přímočařejší proces, by nás tento výzkum mohl přivést o krok blíže k odhalení této prastaré záhady.
Mohlo by to mít také důsledky při hledání života mimo Zemi. Pokud jsou stavební kameny života přirozeně reaktivní a vzájemně se přitahují, pak to pravděpodobně zvyšuje pravděpodobnost, že podobné chemické reakce proběhly jinde ve vesmíru!
Další čtení; Scrippsův výzkum