Vita, ma non come la conosciamo | chimica della natura

Vita, ma non come la conosciamo | chimica della natura

Anonim

Soggetti

  • Sintesi biomimetica
  • Geochimica
  • Origine chimica della vita

Ci sono molte domande senza risposta su come sono nate le biomolecole e i processi biomeccanici che definiscono la vita. Una raccolta di articoli in questo numero mostra come potrebbero essersi formati intermedi nella sintesi dell'RNA e come potrebbero essersi verificati l'inizio e l'evoluzione della replicazione dell'RNA.

I sistemi viventi sono forse gli esempi più affascinanti di chimica in azione. Le molecole si assemblano in biomacchine che possono svolgere compiti complessi, rendendo possibile la vita. Ma come è iniziato tutto?

Questa domanda può essere affrontata da una prospettiva geologica esaminando le possibili condizioni in base alle quali biomolecole chiave potrebbero essere emerse sulla Terra. In alternativa, un approccio di biologia dei sistemi può essere utilizzato per comprendere quali processi biochimici sono fondamentali per la vita in modo da poter sviluppare un "percorso retrobiosintetico". C'è solo così tanto che possiamo imparare, tuttavia, dai processi altamente evoluti e interdipendenti che dettano la biologia contemporanea 1 . Nonostante i limiti di questi approcci contrastanti, offrono ai chimici numerose opportunità per ottenere informazioni non solo su come le biomolecole potrebbero essere sorte dalla zuppa primordiale, ma anche su come potrebbero essere venute a lavorare insieme per svilupparsi in organismi primitivi.

Nell'articolo a pagina 303 di questo numero, un team guidato da John Sutherland dimostra come l'amminooxazolina ribosio - forse un importante intermedio nella sintesi prebiotica - possa essere usata per produrre ribonucleosidi e loro derivati ​​fosfatici. Un lavoro precedente di Sanchez e Orgel aveva identificato un percorso sintetico dal ribosio alla pirimidina β-ribonucleosidi attraverso l'amminoossazolina, ma era necessario un passaggio di fotoanomerizzazione a basso rendimento e non selettivo per fornire prodotti con la corretta chiralità 2 - sollevando domande sulla plausibilità prebiotica di questo percorso 3 . Pur perseguendo metodi migliorati per produrre amminoossazolina di ribosio usando l'idrosolfuro, Sutherland e colleghi hanno studiato il ruolo che tali specie di zolfo possono svolgere nel convertire questi intermedi in ribonucleosidi. Hanno scoperto che l'α-tioribocitidina generata in due fasi dall'amminoossazolina è stata sottoposta a fotoanomerizzazione uniformemente per formare il β-anomero, che poteva quindi essere trasformato nel desiderato pirimidina β-ribonucleoside fosfato. Infine, il collegamento della β-ribonucleosidi di pirimidina al ribosio - attraverso un intermedio amminoossazolinico - in modo prebioticamente plausibile colma una notevole lacuna nelle conoscenze sull'origine dell'RNA.

Molti moderni processi biochimici usano enzimi per catalizzare trasformazioni ad alta energia ma, per definizione, gli enzimi non esistevano nei media prebiotici. L'articolo a pagina 310 di questo numero di Matthew Powner e colleghi esamina come il fosfoenolo piruvato - il fosfato ad alta energia presente nei sistemi viventi e un intermediario chiave nella sintesi di nucleotidi e altre biomolecole - possa essere sintetizzato in condizioni prebiotiche. Sebbene il piruvato sia stato sintetizzato a temperature e pressioni elevate 4, queste condizioni - che erano necessarie per superare la barriera alla formazione dell'intermedio fosfoenol-piruvato - sono incompatibili con i modelli prebiotici. Ora, Powner e collaboratori dimostrano un percorso che inizia con la fosforilazione della gliceraldeide, che si disidrata per dare fosfoenolo piruvaldeide. L'ossidazione con biossido di manganese in condizioni ambientali fornisce fosfoenolo piruvato, suggerendo che i catalizzatori di metallo abbondanti nella Terra potrebbero essere stati importanti per produrre composti ad alta energia prima che esistessero gli enzimi.

Allontanandosi dalla sintesi prebioticamente plausibile di piccole biomolecole, altri due articoli in questo numero si occupano di capire come sono emersi i processi biochimici che utilizzano questi composti. Nicholas Hud e collaboratori affrontano la "inibizione del filamento", un processo che blocca la replicazione del DNA e dell'RNA in cui i filamenti del modello formano un duplex, impedendo ai monomeri nucleotidici di riunirsi su di essi (pagina 318). Sebbene l'inibizione del filamento possa essere superata a temperature elevate 5, queste condizioni sono nuovamente incompatibili con i primi scenari terrestri. Alla ricerca di un'alternativa adeguata, Hud e colleghi hanno scoperto che i solventi altamente viscosi possono rallentare la formazione di duplex di template abbastanza a lungo da consentire ai monomeri nucleotidici di riunirsi in trefoli di lunghezza genica lungo i modelli a singolo filamento. Si suggerisce che la replicazione precoce di RNA e DNA possa aver fatto affidamento su cicli giorno / notte in cui le differenze di temperatura hanno portato a diversi livelli di evaporazione del solvente - e quindi alla viscosità - portando a filamenti modello più separati (e quindi replicazione) durante i giorni più caldi e formazione di duplex modello (e diffusione di monomeri e oligomeri corti) quando faceva più freddo di notte.

Infine, Philipp Holliger e colleghi mostrano come le biomolecole possono aumentare e ottimizzare l'attività reciproca nella formazione di nuovi sistemi biologici (pagina 325). La cooperazione tra RNA e peptidi è ben nota e probabilmente fa parte di come le due classi di molecole si sono evolute una accanto all'altra. Notando che i ribozimi di RNA polimerasi (RPR) richiedono in genere alte concentrazioni di Mg 2+ per un'attività adeguata, ma che Mg 2+ accelera anche la degradazione dell'RNA, Holliger e colleghi si sono chiesti come si possano formare le prime protocellule considerando gli effetti contrastanti dei sali di magnesio su questi componenti vitali . Ora, la dipendenza di RPR da Mg 2+ ha dimostrato di essere sostanzialmente inferiore in presenza di semplici peptidi, suggerendo che l'evoluzione dei peptidi potrebbe aver accelerato l'evoluzione dell'RNA. Ciò avrebbe potuto consentire la compartimentazione in protocellule, un prerequisito chiave per lo sviluppo della prima infanzia.

L'ultimo decennio ha visto progressi nella nostra comprensione di ciò che costituisce la "plausibilità prebiotica" 6 e di come le prime biomolecole avrebbero potuto catalizzare la formazione dei moderni macchinari biomeccanici 7 . Questi risultati non solo hanno portato a una migliore comprensione delle origini chimiche della vita, ma rappresentano anche importanti sviluppi nella sintesi, chimica supramolecolare e biologia chimica. Sebbene la (bio) chimica della Terra primitiva rimarrà probabilmente una domanda con risposta incompleta, lo studio delle origini della vita a livello molecolare offre indizi sul nostro lontano passato e può portare a nuove scoperte che potrebbero modellare il nostro futuro.

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