Hemijsko poreklo života na Zemlji je zagonetka koju naučnici pokušavaju da sastave decenijama. Predložene su mnoge hipoteze kako bi se objasnilo kako je nastao život i koji su hemijski i ekološki faktori na ranoj Zemlji mogli dovesti do toga. Korak koji je potreban u brojnim od ovih hipoteza uključuje abiotičku sintezu genetskih polimera—materijala sačinjenih od niza hemijskih jedinica koje se ponavljaju sa sposobnošću skladištenja i prenošenja informacija kroz interakcije uparivanja baza.
Jedna takva hipoteza je svetska hipoteza RNK (ribonukleinske kiseline), koja se zasniva na ovom konceptu i sugeriše da je RNK mogla biti originalni biopolimer života kako za skladištenje i prenos genetskih informacija, tako i za katalizu. Međutim, u odsustvu hemijske aktivacije RNK monomera, studije su otkrile da bi polimerizacija RNK bila neefikasna u primitivnim uslovima sušenja bez specijalizovanih okolnosti kao što su sinteza uz pomoć lipida ili soli ili šabloniranje minerala.
Iako ovo ne čini nužno hipotezu o svetu RNK manje verodostojnom, primitivni hemijski sistemi su bili prilično raznoliki i nikako nisu mogli biti tako čisti da sadrže samo RNK i lipide, što sugeriše da su se možda dogodili i drugi oblici primitivne polimerizacije nukleinskih kiselina.
Jedna od glavnih hipoteza sugeriše da je možda druga vrsta nukleinske kiseline, nazvana „pre-RNA“, mogla da prethodi RNK na ranoj Zemlji.
Dakle, potencijalno obećavajući način istraživanja porekla genetskih polimera je ne samo da se fokusira na sintezu RNK pod prebiotički prihvatljivim uslovima, već i da se istraže drugi trenutno nepoznati mehanizmi prebiotske sinteze ne-RNA nukleinskih kiselina (ili polimera sličnih nukleinskim kiselinama). ) koji je mogao postojati na ranoj Zemlji, kao što je kopolimerizacija monomera naizmeničnih analoga nukleozida sa molekulima linkera.
Tim istraživača sa Tehnološkog instituta u Tokiju, predvođen istraživačem Ruikinom Jijem, preuzeo je zadatak da ispita takve kopolimerizacije u prebiotički relevantnom kandidatu za genetski polimer koji nije zasnovan na RNK.
U svom nedavnom otkriću objavljenom u Chemical Communications, tim je istraživao naizmeničnu kopolimerizaciju monomera glikol nukleinske kiseline (GNA) sa supstituisanim i nesupstituisanim dikarboksilnim kiselinama (DCA) pod primitivnim uslovima sušenja kako bi se proizvela i linearna i razgranata ko-polimerizacija kseno nukleinske kiseline. polimeri.
„Istraživanje sugeriše da bi se pretpostavljeni pre-RNA molekuli mogli sastaviti od monomera sa linkerima koji su potencijalno služili za spajanje drugih funkcionalnih polimera da bi se formirale makromolekularne hibridne strukture“, objašnjava dr Ji. „Ova dodatna hemijska međupovezanost ne samo da povećava složenost polimera, već im je takođe mogla dati nove ili novonastale funkcije. Takva kosinteza polimera potencijalno može pomoći u praćenju porekla primitivnih genetskih molekula unazad do ere pre enzimske katalize ili RNK .“
Da bi se istražila kosinteza polimera, GNA monomeri N1-(2′,3′-dihidroksipropil)timin (DHPT) ili N9-(2,3-dihidroksipropil)adenin (DHPA) (koji sadrže baze timina i adenina primećeno u modernoj DNK i RNK, respektivno) su reagovali sa nizom supstituisanih i nesupstituisanih DCA putem sinteze dehidratacije da bi se formirale estarske veze sposobne da povežu komponente GNK sa komponentama DCA.
Sintetizovani molekuli proizvoda su zatim podvrgnuti matrično-potpomognutoj laserskoj desorpciji jonizacione masene spektrometrije vremena leta (MALDI-ToF-MS) da bi se analizirali tipovi proizvoda koji bi potencijalno mogli da se proizvedu. Rezultati su otkrili da reakcije sa nesupstituisanim DCA proizvode naizmenične linearne kopolimere, dok one sa supstituisanim DCA proizvode i linearne i razgranate kopolimere; u svim slučajevima, proizvodi su bili sastavljeni od polidisperzne populacije polimera različite dužine.
Promenom DCA ili GNA sastava, temperature ili pH reakcije, mogu se dobiti proizvodi različite dužine. Kada je MS/MS analiza primenjena na „sekvencionisanje“ polimera proizvoda, otkriveno je da odnos DCA/GNA utiče na količinu grananja proizvoda; viši DCA/GNA odnosi su rezultirali većim grananjem, dok su niži odnosi rezultirali više linearnim polimerima.
Konačno, tim je takođe otkrio da je mešana reakcija DHPT i DHPA sa ʟ-vinskom kiselinom dovela do formiranja nasumične sekvence polimera koji se sastoje od obe vrste baza (timin i adenin), koje same po sebi obično mogu da se uparuju. Ovi proizvodi ukazuju na potencijalni put za ovaj sistem da formira kratkolančane polimere sposobne za prenos genetskih informacija putem uparivanja baza, slično RNK ili drugim primitivnim nukleinskim kiselinama.
Rezultati ovog istraživanja stoga sugerišu da su i razgranati i linearni kopolimeri kseno nukleinske kiseline zasnovani na GNA-DCA mogli biti u izobilju na ranoj Zemlji da je inventar prebiotskih organskih molekula imao raznolik sastav i da su jednostavne razlike u hemijskom sastavu moglo da dovede do razlika na nivou populacije u obilju razgranatih naspram linearnih informacionih polimera.
Na primer, u sredinama sa manje GNA monomera u poređenju sa DCA molekulima, razgranati polimeri bi dominirali, što bi moglo biti povezano sa globularnim protoenzimima baziranim na hiperrazgranatim polimerima.
Suprotno tome, u sredinama sa više GNA monomera u poređenju sa DCA molekulima, dominirala bi potencijalno veoma raznolika populacija linearnih polimera sposobnih za skladištenje i prenošenje genetskih informacija, što je moglo rezultirati daljom selekcijom i evolucijom koja je dovela do drugih novih funkcija ili nukleinskih kiselina.
„Otkrili smo da ne samo da se nekanonske kseno nukleinske kiseline mogu formirati jednostavnom dehidracijom dva tipa obilnih primitivnih molekula (GNA i DCA), već i da su ovi polimeri (koji sadrže dve vrste komplementarnih baza) mogli imati korisne informacije. svojstva skladištenja. Sada smo u procesu uranjanja dublje u potencijalne funkcije ovih kopolimera i nadamo se da ćemo otkriti više odgovora na pitanja o tipovima polimera koji su mogli postojati i funkcionisati na ranoj Zemlji“, zaključuje dr Ji.
