Te enzymy-naśladując polimery mogą pomóc rozpocząć życie na Ziemi

Naukowcy z Earth-Life Science Institute odkryli, że małe wysoce rozgałęzione polimery, które mogły powstać spontanicznie na wczesnej Ziemi, mogą naśladować nowoczesną funkcję enzymu biologicznego białka. Te proste struktury katalityczne mogły pomóc w rozpoczęciu początków życia.

Większość wysiłków w początkach badań nad życiem koncentruje się na zrozumieniu prebiotyk tworzenia biologicznych bloków konstrukcyjnych. Możliwe jest jednak, że wczesna ewolucja biologiczna opierała się na różnych strukturach i procesach chemicznych, które z czasem były stopniowo zastępowane przez eony ewolucji. Ostatnio chemicy Irena Mamajanov, Melina Caudan i Tony Jia z Earth-Life Science Institute (ELSI) w Japonii pożyczyli pomysły z polimerów, dostarczania leków i biomimikra, aby zbadać tę możliwość. Co zaskakujące, odkryli, że nawet małe polimery o dużej rozgałęzieniach mogą służyć jako skuteczne katalizatory, a te mogły pomóc w rozpoczęciu życia.

We współczesnej biologii, zakodowane enzymy białkowe wykonują większość pracy katalitycznej w komórkach. Enzymy te składają się z liniowych polimerów aminokwasów, które składają się i dwukrotnie z powrotem na siebie, tworząc stałe trójwymiarowe kształty. Te wstępnie uformowane kształty pozwalają im bardzo konkretnie współdziałać z substancjami chemicznymi, których reakcje katali. Katalizatory pomagają reakcje występują znacznie szybciej niż w przeciwnym razie, ale nie są spożywane w reakcji się, więc jedna cząsteczka katalizatora może pomóc tej samej reakcji zdarzyć wiele razy. W tych trójwymiarowych stanach składanych, większość struktury katalizatora nie wchodzi bezpośrednio w interakcje z substancjami chemicznymi, na które działa, i po prostu pomaga strukturze enzymu utrzymać swój kształt.

W obecnych pracach naukowcy z ELSI badali hiperrozdziałowe polimery — struktury przypominające drzewa o wysokim stopniu i gęstości rozgałęzień, które są z natury kuliste bez konieczności świadomego składania — co jest wymagane dla nowoczesnych enzymów. Hiperbrane polimery, takie jak enzymy, są zdolne do pozycjonowania katalizatorów i odczynników oraz precyzyjnego modulowania lokalnej chemii.

Większość wysiłków w początkach badań nad życiem koncentruje się na zrozumieniu prebiotyk tworzenia nowoczesnych struktur biologicznych i bloków konstrukcyjnych. Logika jest taka, że związki te istnieją teraz, a zatem zrozumienie, w jaki sposób mogą być wykonane w środowisku, może pomóc wyjaśnić, jak powstały. Znamy jednak tylko jeden przykład życia i wiemy, że życie stale ewoluuje, co oznacza, że przetrwają tylko najbardziej udane warianty organizmów. W związku z tym uzasadnione może być założenie, że współczesne organizmy mogą nie być bardzo podobne do pierwszych organizmów i możliwe jest, że chemia prebiotyczna i wczesna ewolucja biologiczna opierały się na różnych strukturach i procesach chemicznych niż współczesna biologia, aby się rozmnażać. Jako analogię do ewolucji technologicznej, wczesne telewizory katodowe pełniły mniej więcej taką samą funkcję jak nowoczesne wyświetlacze o wysokiej rozdzielczości, ale są to zasadniczo różne technologie. Jedna technologia doprowadziła do stworzenia drugiej w pewnym sensie, ale niekoniecznie była logicznym i bezpośrednim prekursorem drugiego.

Jeśli tego rodzaju „rusztowania” model ewolucji biochemicznej jest prawdą, pytanie staje się, jakie struktury prostsze, oprócz tych stosowanych we współczesnych systemach biologicznych, może pomogły przeprowadzić tego samego rodzaju funkcji katalitycznych współczesnego życia wymaga? Mamajanov i jej zespół urzekali, że hiperbrane polimery mogą być dobrymi kandydatami.

Zespół zsyntetyzował niektóre z hiperbranych polimerów, które badali z substancji chemicznych, których można było racjonalnie oczekiwać, że były obecne na wczesnej Ziemi przed rozpoczęciem życia. Następnie zespół wykazał, że polimery te mogą wiązać małe naturalnie występujące nieorganiczne skupiska atomów znane jako nanocząsteczki siarczku cynku. Takie nanocząstki są znane jako niezwykle katalityczne na własną rękę.

Jak komentuje główny naukowiec Mamajanov: „W tym badaniu wypróbowaliśmy dwa różne rodzaje hiperbranych rusztowań polimerowych. Aby je działały, wszystko, co musieliśmy zrobić, to wymieszać roztwór chlorku cynku i roztwór polimeru, a następnie dodać siarczek sodu i „voila”, uzyskaliśmy stabilny i skuteczny katalizator na bazie nanocząsteczek.”

Kolejnym wyzwaniem zespołu było wykazanie, że te hiperbrane hybrydy polimerowo-nanocząsteczkowe mogą rzeczywiście zrobić coś interesującego i katalitycznego. Okazało się, że te polimery domieszkowane siarczkem metali, które rozkładają małe cząsteczki, były szczególnie aktywne w obecności światła, w niektórych przypadkach katallizowały reakcję aż o 20. Jak mówi Mamajanov: „Do tej pory zbadaliśmy tylko dwa możliwe rusztowania i tylko jedno dopant. Niewątpliwie istnieje wiele, wiele więcej przykładów tego, co pozostało do odkrycia.”