• Thursday May 23,2019

Könnten die frühesten Phasen des Lebens ohne einen Schlüsselbestandteil überlebt haben?

Anonim

„CHNOPS“ ist eines der am meisten verehrten Akronyme der Wissenschaft, eine Zusammenstellung von Briefen, die von Zungenschülern von Biologiestudenten an der High School und von praktizierenden Forschern gleichermaßen gesprochen werden. Es ist für die sechs Elemente verantwortlich, aus denen die meisten biologischen Moleküle bestehen: Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel.

Biologen haben traditionell angenommen, dass alle sechs Elemente Voraussetzungen waren, da jedes Element in einigen der lebenswichtigsten Moleküle des Lebens zu finden ist. Aber was wäre, wenn frühere Lebensformen nicht so anspruchsvoll wären? Könnte ein nachhaltiger Stoffwechsel tatsächlich ohne eines dieser anscheinend wesentlichen Elemente existieren? Um diese revolutionäre Möglichkeit auszuloten, leitete Joshua Goldford, ein Doktorand des Bioinformatics-Programms der Boston University, eine theoretische Studie, die sich mit Phosphor und seinem biologisch nützlichsten Derivat Phosphat beschäftigte.

Es gibt Gründe zu der Annahme, dass die Verfügbarkeit von Phosphat ein begrenzender Faktor in den frühen Stadien des Lebens gewesen sein könnte: Es ist auf geologischer Ebene knapp, und selbst wenn es vorhanden ist, ist es oft eng miteinander verbunden Felsen und Mineralien. In phosphatfreien Gedankenexperimenten haben frühere Forscher größere Rollen für Schwefel und Eisen sowie Thioester (relativ reaktive Moleküle, die eine Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Schwefel-assoziierte funktionelle Gruppe enthalten) vorgeschlagen.

Goldford und seine Kollegen wollten wissen, wie sich eine phosphatfreie Welt auf die Konturen der mikrobiellen Biochemie abbildet: Können Sie alles erzeugen, was eine Zelle benötigt? Um dies herauszufinden, verwendeten sie einen "Reaktionsnetzwerk" -Ansatz, der im Wesentlichen alle bekannten Stoffwechselreaktionen zusammenfasste, unabhängig von dem modernen Organismus, aus dem sie kamen. Dieser breite Schirm ist ein kleiner Sprung, da moderne Reaktionen Milliarden von Jahren der Erforschung neuer Funktionsräume durchlaufen haben. Die Studie besagt jedoch, dass „viele solcher Reaktionen anfangs in einem viel schwächeren und weniger spezifischen Ausmaß katalysiert worden sein könnten eine Reihe von kleinen Molekülen "und dass dieses Szenario" nicht neu in der Lebensforschung ist. "

Bemerkenswert ist, dass ein phosphatunabhängiges Kernnetz von 315 Reaktionen und 260 Biomolekülen entstanden ist. Es könnte organischen Kohlenstoff durch den reduktiven TCA-Zyklus bilden, der vermutlich ein alter Kohlenstoff-Fixierungsweg ist. Es konnten zehn Aminosäuren hergestellt werden und der Rest konnte aus natürlichen, abiotischen Quellen gewonnen werden. Gene in diesem Kernnetzwerk waren in modernen mikrobiellen Genomen stärker vertreten, was auf ihre grundlegende Rolle hinweist. Vorgeschlagene Enzyme waren im Durchschnitt kleiner als das mittlere Enzym des modernen Lebens - ein Befund, der mit dem Vorschlag der Wissenschaftler übereinstimmt, dass antike Katalysatoren aus kleineren, primitiveren Aminosäureketten bestanden haben könnten.

Dieser Kernsatz von Reaktionen kann die Rohstoffe für Zellen liefern, aber was treibt sie an? Die Energiewährung aller biologischen Reaktionen - Adenosintriphosphat oder ATP - enthält nämlich drei Phosphatgruppen. Reißen Sie einmal ab, und ungefähr 50 kJ / mol Energie können Sie mit dem tun, was Sie wollen, indem Sie energieaufwändige Reaktionen vorantreiben, um viele der komplexeren Biomoleküle aufzubauen.

Goldford schlägt vor, dass Thioester - und insbesondere ein Molekül namens Pantethein - eine ähnliche Rolle spielen könnten: Wenn eine Acetylgruppe abgestreift wird, werden 33 kJ / mol Energie erzeugt. Es ist nicht so viel wie ein ATP-Molekül, aber es reicht aus, um die energetische Belastung der hypothetischen Zelle zu lindern und eine luxuriösere Lebensweise zu ermöglichen.

Während Phosphat für einen Kernbestandteil der Protobiologie nicht erforderlich war, ist die Vererbung von genetischem Material nicht Teil der Gleichung: RNA und DNA beinhalten ein molekulares Phosphat-Rückgrat, ohne das genetisches Material, wie wir es kennen, keine Rolle spielen würde. nicht möglich sein Nichtsdestoweniger könnten durch den Anstoß biochemischer Prozesse in Abwesenheit von Phosphat metabolische Netzwerke bereit gewesen sein, in eine RNA-Welt zu springen, sobald Phosphat leichter zugänglich wurde.

So nützlich ein phosphatfreies Stoffwechselnetzwerk dabei helfen kann, eine lange bestehende Kluft zwischen Geologie und Biologie zu erklären, werden wir wahrscheinlich nicht bald "CHNOS" in Lehrbüchern sehen.


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