(LoganArt/Pixabay) Eines der größten Geheimnisse unseres Universums liegt direkt vor unserer Haustür. Nein, näher dran – es ist in jeder Faser unseres Wesens.
Vor mindestens 3,7 Milliarden Jahren , ein paar einfache Moleküle arbeiteten zusammen, um etwas Neues zu erschaffen. Dann noch ein paar mehr. Und irgendwie brachten diese Schneeballkombinationen schließlich die ersten sehr einfachen lebenden Organismen hervor, die sich weiterentwickeln und verzweigen würden, um alles Leben auf der Erde zu bilden.
Wir kennen die Reihenfolge nicht; Verdammt, wir wissen nicht einmal wann oder Wo es passierte. Doch neue Forschungsergebnisse zeigen uns die Möglichkeiten.
Mit einem speziell entwickelten Softwaretool haben Wissenschaftler in Polen und Südkorea die möglichen Synthesewege aus den einfachen Vorläufermolekülen ( Präbiotika ), die auf der frühen Erde zu den komplexen Biomolekülen gehörten, aus denen heute das vielfältige Leben auf dem Planeten entstand.
„Obwohl Hunderte organischer Reaktionen unter validiert wurden Konsens präbiotische Bedingungen „Wir haben immer noch nur ein bruchstückhaftes Verständnis darüber, wie sich diese einzelnen Schritte zu vollständigen Synthesewegen zusammenfügen, um die Bausteine des Lebens zu erzeugen“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Wir haben die Leistungsfähigkeit der computergestützten organischen Synthese genutzt, um das Netzwerk von Molekülen abzubilden, die aus grundlegenden präbiotischen Rohstoffen synthetisiert werden können.“
Abbildung des Reaktionsbaums. (Wołos et al., Science, 2020)
Die Software heißt Allchemie , und das Team entwickelte es, indem es bekannte präbiotische chemische Reaktionen in einem Format kodierte, das eine Maschine lesen kann. Sie enthielten Informationen über inkompatible Gruppen und Bedingungen sowie bekannte Reaktionsmechanismen unter präbiotischen Bedingungen.
Sechs grundlegende bekannte präbiotische Moleküle, die vor dem Leben auf der Erde existierten, werden als Ausgangspunkt in das Programm eingespeist: Wasser, Stickstoff, Zyanid, Ammoniak, Methan und Schwefel.
Von dort aus identifiziert der Algorithmus mögliche Folgereaktionen. Diese beginnen mit den ursprünglichen sechs Molekülen und entwickeln sich dann schrittweise weiter, wobei sie immer komplexer werden. Jedes neu erzeugte Molekül kann mit den Produkten aller vorherigen Iterationen in der Kette sowie mit den ursprünglichen sechs Molekülen reagieren.
Letztendlich entstehen durch diese Kettenreaktionen die Bausteine des Lebens, wie Nukleinsäuren, Lipide und Proteine wie Enzyme.
Das Team ließ seine Software mehrere Generationen lang laufen und reproduzierte alle bekannten Wege zu präbiotischen Molekülen.
Einige präbiotische Moleküle, so Allchemy, können sich unglaublich schnell bilden – Glycin, das unser Körper als Neurotransmitter nutzt, entsteht nach nur einer Reaktion.
Harnstoff, Adenin (ein Bestandteil der DNA), Butendisäure und Oxalsäure können bereits nach zwei Reaktionen entstehen; und nach drei Jahren können sich Glycerinaldehyd, Isoguanin, Asparaginsäure, Hypoxanthin, Cytosin, Phenylalanin, Bernsteinsäure, Äpfelsäure, Glyoxylsäure und Aldotetrose bilden.
Innerhalb von zwei Stunden hatte die Software 82 biotische Moleküle und 36.603 produziert abiotisch Moleküle, sagten die Forscher.
Zusätzlich zu den bekannten Wegen identifizierte die Software mehrere bisher unbekannte Synthesewege zu präbiotischen Molekülen. Diese testete das Team, indem es die Moleküle in einer Laborumgebung nach dem Allchemy-Rezept herstellte.
Das wäre an sich schon eine interessante Entdeckung, aber Allchemy war noch lange nicht fertig. Anhand des von der Software generierten Lebensbaums identifizierte das Team drei Arten chemischer Entstehung, die für das Leben von entscheidender Bedeutung sind.
Erstens können innerhalb des Netzwerks erzeugte Moleküle neue Arten chemischer Reaktionen ermöglichen und so die Anzahl potenzieller Produkte einer Molekülgeneration erheblich erweitern. Zweitens entstehen innerhalb weniger Generationen einfache chemische Systeme – darunter auch selbstregenerierende Kreisläufe. Diese wurden auch in Laborexperimenten überprüft.
Und schließlich identifizierte das Netzwerk Wege zu Tensiden. Diese Moleküle verbinden sich spontan miteinander und bilden geschlossene Blasen. Sie bilden Zellwände; Ohne sie gäbe es keine biologische Kompartimentierung, wie wir sie kennen, die für die Organisation biomolekularer Systeme von entscheidender Bedeutung ist.
Die tatsächlichen chemischen Wege, die das Leben vor Milliarden von Jahren durchlief, werden wir wahrscheinlich nie erfahren. Aber Allchemy zeigt das Vielleicht war es nicht so schwierig, wie wir vielleicht denken .
Und es könnte sich als äußerst nützliches Werkzeug zur Erforschung von Bedingungen erweisen, die zur Entstehung von Leben führen könnten, nicht nur auf der Erde, sondern möglicherweise auch anderswo.
„Zusammengenommen führen uns die obigen Analysen und Synthesebeispiele zu der Annahme, dass rechnergestützte Reaktionsnetzwerkalgorithmen für die Identifizierung neuer Syntheserouten zu präbiotisch relevanten Zielen nützlich und für die Entdeckung präbiotischer chemischer Systeme, die ansonsten schwer zu erkennen sind, unverzichtbar sind.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Natürlich sollten und werden die präbiotischen Reaktionsnetzwerke wachsen, wenn bestimmte präbiotisch plausible Transformationen experimentell validiert werden.“
Allchemie wurde der Öffentlichkeit frei zugänglich gemacht. Und die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Wissenschaft .