Ursprung des Lebens: Homochiralität mit Mineralien?

Es ist eine entscheidende Herausforderung für die Erforschung des Ursprungs des Lebens. Unter den vielen Hindernissen bei der abiotischen Erzeugung biologisch relevanter Polymere ist das Erreichen von Homochiralität vielleicht das am schwierigsten zu überwindende Hindernis. Was ist Homochiralität? Nun, alle Makromoleküle im Leben bestehen aus Bausteinen, die als Spiegelbilder existieren. Zur Vermittlung dieses chemischen Konzepts wird am häufigsten die Analogie der linken und rechten Hand verwendet. Mit sehr wenigen Ausnahmen verwendet das Leben nur eine dieser Formen.

Die chemischen Eigenschaften spiegelbildlicher Verbindungen sind für alle praktischen Zwecke gleichwertig. Die Produktion dieser Bausteine ​​in einer präbiotischen Welt unter Verwendung sehr einfacher Verbindungen als Ausgangsmaterial würde daher voraussichtlich zu einer racemischen Mischung oder 50/50-Verteilung dieser Bausteine ​​führen. Dies wurde bereits durch die Analyse organischer Verbindungen bestätigt, die aus einem Asteroiden gewonnen wurden, wie ich hier im Mai schrieb.

Die Herstellung von Polymeren, die nur aus einer Konfiguration bestehen, aus dieser Mischung ist zwingend erforderlich, um der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen präbiotischen Ursprung des Lebens auf der Erde überzeugend zu erklären. Die vorliegende Aufgabe besteht darin, chemische Schemata vorzuschlagen, die Polypeptide (Proteine) oder RNA unter Verwendung homochiraler Bausteine ​​produzieren. Eine solche Leistung in Lösung zu vollbringen scheint nicht machbar, weshalb der Ansatz der präbiotischen Suppe von vielen Wissenschaftlern zum Ursprung des Lebens (OOL) aufgegeben wurde. Eine bessere, umfassend untersuchte Alternative ist die Verwendung mineralischer Oberflächen, bei denen die Adsorption organischer Chemikalien theoretisch bevorzugt eine Konfiguration eines Paares chiraler Moleküle auswählen könnte.

Hier werde ich diesen experimentellen Ansatz kurz diskutieren und darauf hinweisen, wohin die relevanten Studien geführt haben. Ich werde zunächst die Polymerisation von Aminosäuren zur Bildung von Proteinen in Betracht ziehen, gefolgt von Versuchen, dieses Kunststück mithilfe von RNA-Vorläufern zu erreichen.

Unter den Studien, die die Wirksamkeit bei der Gewinnung kurzer Aminosäurelängen zur Bildung von Oligopeptiden belegen, wurde 1978 über eine der frühesten berichtet (Lahav N., White D. und Chang S. (1978) Science 201: 67-69). Das verwendete System zur Erleichterung der Kondensationsreaktion zur Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren war die Verwendung von Tonmineralien (Kaolinit und Bentonit). Es wurden wiederholte Zyklen von Erhitzung, Verdunstung und Rehydrierung herangezogen, was Bedingungen sind, die wahrscheinlich auf einer präbiotischen Erde herrschen. Bei Verwendung der einfachsten Aminosäure Glycin (ohne Chiralitätszentrum) wurde festgestellt, dass Diglycin in geringen Mengen mit zunehmend geringeren Mengen bis zur Pentapeptidlänge produziert wird. Insbesondere die Erwärmungs- und Trocknungsphase dieses Zyklus erleichtert offenbar die Kondensationsreaktion und ermöglicht die Bildung von Peptidbindungen.

Dies war ein Anfang, aber noch weit davon entfernt, Polypeptidlängen von biologischer Relevanz zu produzieren. Kleine Proteine ​​sollten mindestens 100–200 Aminosäuren umfassen, um effektiv zur biologischen Funktion beizutragen. Nach diesem ersten Hoffnungsschimmer verfolgten viele andere Labore ähnliche Ansätze und testeten verschiedene Mineraloberflächen und verschiedene Reaktionsbedingungen. Den Spitzenreitern gelang es, Polypeptide bis hin zu Decameren herzustellen. Aus diesen Studien wurde deutlich, dass es umso schwieriger war, das Polypeptid von der Mineraloberfläche zu entfernen, je länger es produziert wurde, da es über eine Vielzahl chemischer Bindungskräfte, die über eine lange Kette von Aminosäuren verteilt waren, fest gebunden war. Der Erfolg bei der Herstellung langer Polypeptide führt scheinbar dazu, dass das Polymer an der Oberfläche fixiert bleibt, anstatt bei Bedarf für das Leben in Lösung freigesetzt zu werden.

Ein großer Fehler der oben beschriebenen Studien besteht darin, dass sie nicht versucht haben, zu erklären, wie homochirale Selektivität auf diesem Weg erzwungen werden kann. Die Synthese von Polypeptiden mit einer razemischen Mischung von Aminosäuren bietet dem präbiotischen Leben in Bezug auf die Funktionalität nichts. Damit Proteine ​​spezifische und reproduzierbare Strukturen annehmen können, muss ein homochiraler Satz an Aminosäuren verwendet werden. Mit diesem Ziel vor Augen berichtete ein Labor, dass Enantiomerenpaare von Asparaginsäure bevorzugt an gegenüberliegenden Flächen mit Spiegelsymmetrie von Calcit (Calciumcarbonat) adsorbieren. Es wurde vorgeschlagen, dass Asparaginsäure mit drei funktionellen Gruppen (zwei Carbonsäuren und eine Amingruppe) sich mit homochiraler Selektivität an den exponierten chemischen Gruppen von Calcit orientiert. Dies ist logisch, um die beobachtete chirale Anreicherung von etwa 90 Prozent zu erklären.

In diesem Fall funktioniert es bei Asparaginsäure, aber was ist mit Glutaminsäure? Es hat die gleichen funktionellen Gruppen, aber sie sind etwas unterschiedlich voneinander beabstandet. Es gibt keine Garantie dafür, dass die entsprechende chirale Glutaminsäure auch selektiv an dieselbe Oberfläche bindet. Leider wurde dies nicht gemeldet. Von den 20 Aminosäuren besitzen nur 11 mindestens drei funktionelle Gruppen, die für die richtige räumliche Positionierung an der Mineralgrenzfläche erforderlich sind. Die restlichen neun haben nur zwei, eine Carboxyl- und eine Aminogruppe. Dies lässt wenig Spielraum für die Erzielung der Homochiralität aller Aminosäuren, die zum Aufbau von Proteinen erforderlich sind.

Um diesem Labor Anerkennung zu zollen, erwähnten sie, dass Alanin, Valin und Lysin keine chirale Selektion auf Calcit zeigen. Der Mangel an Daten für die meisten verbleibenden Aminosäuren lässt vermuten, dass Mineralien im Allgemeinen eine weitere Sackgasse für das Homochiralitätsproblem sind, das OOL-Proteinforscher zu lösen versuchen. Im Gegensatz zu den Schlussfolgerungen, die ich aus diesen Beobachtungen ziehe, ließen sich die Autoren nicht davon abhalten, kühne Behauptungen darüber aufzustellen, wie dieses Modell zur Erklärung der homochiralen Polymerisation von Aminosäuren auf Mineraloberflächen im Allgemeinen beitragen könnte.

Eine höchst problematische Situation stellt das Kohlenhydrat Ribose dar, das zur Herstellung von RNA benötigt wird. Ribose hat vier Chiralitätszentren, im Gegensatz zu Aminosäuren nur eines. Daher hat die in der RNA vorkommende D-Ribose sieben weitere chemische Partner, die sich in ihrer räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden. Ribose hat einen Vorteil, der den OOL-Forschern hilft. Am häufigsten liegen sechs- oder fünfgliedrige Ringstrukturen vor, bei denen die funktionellen Hydroxylgruppen geometrisch auf einer Seite dieses chemischen Gerüsts positioniert sind. Mineralien wie Rutil können Wasserstoffbrückenbindungen eingehen und bieten so die Möglichkeit, Ribose gegenüber seinen anderen Kohlenhydratkonkurrenten bevorzugt zu binden. Ein solches Modell wurde mit dem Vorbehalt vorgeschlagen, dass eine dreidimensionale Kraft angewendet werden muss, um die Trennung der Ribose von den anderen Zuckern zu bewirken.

Die ersten beiden Dimensionen werden durch quasiplanare Wechselwirkungen der Zuckerringe mit der Mineralgrenzfläche erklärt. Einfacher ausgedrückt muss dieses Mineral auf eine Trenntechnik namens Chromatographie angewendet werden. Die stärkere Bindung von Ribose, da alle Hydroxylgruppen zur Mineraloberfläche zeigen, würde eine stärkere Retention dort ermöglichen, wo die anderen Zucker schneller durch diese chromatographische Trennung vordringen würden.

Bei diesem innovativen Vorschlag gibt es mehrere Probleme. Das Einrichten einer chromatographischen Trennung ist kein Selbstläufer. Es erfordert ein spezielles Design, bei dem alle Moleküle gleichzeitig in das chromatographische Medium gelangen müssen. Mit anderen Worten: Für die Durchführung dieser Übung ist ein externer Agent erforderlich. Unter der Annahme, dass die Chromatographie wie erhofft verläuft, handelt es sich bei den letzten 5-Kohlenstoff-Zuckern, die aus dem chromatographischen Medium eluieren, um D- und L-Ribose. Es gibt immer noch eine razemische Ribosemischung, mit der man zu kämpfen hat. Schließlich ist, wie in meinem früheren Artikel besprochen, die geeignete Bindung einer Nukleobase und schließlich eines Phosphats an D-Ribose ohne den Einsatz speziell entwickelter Katalysatoren, z. B. Enzyme, eine äußerst schwierige Aufgabe. Dies ist in einem präbiotischen Szenario höchst unwahrscheinlich.

Ich habe hier das Potenzial angesprochen, das Mineralien den OOL-Forschern boten, um die ersten funktionellen Biopolymere abiotisch zu synthetisieren. Einfache Prinzipien, die diese Vorschläge außer Acht lassen, können auf andere vergleichbare Szenarien in diesem Bereich angewendet werden, aber das würde einen viel längeren und technischeren Artikel erfordern. Es genügt zu sagen, dass es stichhaltige Gegenargumente zu der Fülle an Schemata gibt, die OOL-Forscher entwickeln, um zu erklären, wie das Leben abiotisch entstanden sein könnte. Die Aufgabe, diese Systeme kritisch zu prüfen, ist die Aufgabe von Wissenschaftlern auf der anderen Seite des Fachgebiets.