Ursuppe: Eine neue Methode für die ersten Aminosäuren – eine Kettenreaktion, die einen allmählichen Übergang zu biologischen Prozessen ermöglicht hätte

Chemische Verbindung: Ein neu entdeckter Reaktionsweg könnte erklären, wie die Bausteine ​​des Lebens auf der Urerde entstanden sind – die ersten Aminosäuren. Dies erfordert Cyanid, Ammoniak und Kohlendioxid, die alle in der „Ursuppe“ vorhanden waren, sowie Ketosäuren. Es wird noch heute von lebenden Zellen zur Synthese von Aminosäuren verwendet. Der neue Reaktionsweg zeigt nun, wie das ohne Enzyme – als Bio-Vorstufen – funktioniert hätte.

Wie und wo sind Sie aufgewachsen? erstes Leben? Woher kamen die Grundbausteine? Bisher gab es viele Hypothesen, aber nur wenige endgültige Antworten. Einige Wissenschaftler sehen Aminosäuren, DNA-Basen und andere Grundbausteine ​​des Lebens Im Weltall erschaffen Dann kam es mit Kometen und Asteroiden auf die Erde. Andere betrachten Hydrothermalquellen, heiße Teiche oder Gesteinsporen als Orte der Synthese dieser Biomoleküle. Einige chemische Reaktionen wurden bereits identifiziert, durch die dort beispielsweise die Bausteine ​​der DNA entstehen können rekonstruiert.

Alpha-Ketosäuren, wie hier Brenztraubensäure, sind Vorläufer wichtiger biochemischer Moleküle, darunter Aminosäuren, Coenzym A und Laktat. © Gemeinfrei

Eine Lücke zwischen biologischen und biologischen Signalwegen

Etwas schwieriger ist es hingegen bei Aminosäuren – den Bausteinen zellulärer Proteine. Obwohl sie bereits einen berühmten hat Miller-Urey-Experiment Er zeigte, dass diese Moleküle aus einfachen Vorstufen wie Methan, Ammoniak, Wasser und Wasserstoff bestehen können. Dabei bilden Aldehyde eine Zwischenphase, die dann durch Reaktion mit Cyanid und Ammoniak in Aminosäuren umgewandelt werden.

Einziges Problem: Diese Aldehyd-initiierenden Reaktionswege unterscheiden sich grundlegend von den biochemischen Prozessen in lebenden Zellen. Denn sie wandeln Alpha-Ketosäuren – Carbonsäuren mit einem zusätzlichen doppelt gebundenen Sauerstoffatom – mit Hilfe von Enzymen in Aminosäuren um. Beim Übergang von der präbiotischen „Ursuppe“ zu den ersten Zellen mussten die Zellen den Reaktionsweg komplett neu erfinden – eine umständliche und unglaubwürdige Lösung.

„Wenn wir einerseits eine Chemie finden, die einerseits zu präbiotischen Bedingungen passt und andererseits einen reibungslosen Übergang zu biologischen Prozessen ermöglicht, könnte dies dieses Dilemma lösen“, erklärt Sunil Politikorti vom Scripps Research Institute. In La Jolla, Kalifornien und Kollegen.

Von Ketosäuren zu Aminosäuren

Möglicherweise haben Chemiker nun genau diesen Reaktionsweg entdeckt. Es erklärt, wie Aminosäuren auch ohne Enzyme aus Alpha-Ketosäuren synthetisiert werden können – und damit das Bindeglied zwischen präbiotischer und biologischer Aminosäuresynthese bilden. Die Reaktion basiert auf einfachen Ketosäuren, die bei Raumtemperatur und einer Vielzahl von pH-Werten unter primitiven Erdbedingungen gebildet werden können. Als wichtigen Katalysator dafür hatte das Team bereits Anfang 2022 Cyanid identifiziert.

In ihrem aktuellen Experiment mischten Pulletikurti und Kollegen Ketosäuren und Cyanid in einer wässrigen Lösung mit Ammoniak. Dies löste Reaktionen aus, die als Zwischenprodukte Hydantoine bildeten – eine chemische Vorstufe von Aminosäuren wie Alanin und Glycin. „Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, dass viele Hydantoine auch in Meteoriten nachgewiesen wurden“, betonen die Chemiker. Dies weist darauf hin, dass diese Wechselwirkung auch bei der Bildung der Bausteine ​​des Lebens im Weltraum stattfindet.

Fügten Alchemisten ihrer „Ursuppe“ Kohlendioxid hinzu, würde das Hydantoin weiter zu Aminosäuren reagieren. Das bedeutet, dass aus Ketosäuren auch ohne Enzym lebenswichtige Aminosäuren gebildet wurden.

Die Reaktion erzeugt auch DNA-Basenvorläufer

Auch interessant: Durch Zugabe weiterer Inhaltsstoffe wie Harnstoff konnten die Forscher aus Ketosäuren und ihrem Zwischenprodukt Hydantoin auch eine Vorstufe zu DNA-Basen herstellen. Der von Pulletikurti und seinem Team identifizierte Interaktionsweg kann zwei Arten von Bausteinen für das Leben hervorbringen.

Laut dem Forscherteam wirft dies ein neues Licht auf die chemischen Prozesse, die möglicherweise den Weg für das erste Leben geebnet haben. „Wir glauben, dass die von uns beschriebenen Reaktionen schon früh auf dem Planeten aufgetreten sind“, sagt Seniorautor Ramanarayanan Krishnamurthy vom Scripps Institute. „Sie können den Übergang von Präbiotika zur biologischen Chemie erklären.“ (Naturchemie, 2022; doi: 10.1038/s41557-022-00999-w)

Coyle: Das Scripps-Forschungsinstitut

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