I et viktig skritt under den tidlige utviklingen av livet på jorden, ga dannelsen av aminosyren cystein vitale katalysatorer, som gjorde at de tidligste proteinmolekylene kunne dannes i vann, ifølge en ny studie fra UCL-forskere.
Alle proteiner er bygget av de samme 20 aminosyrene. En av disse, cystein, ble antatt å ikke ha vært tilstede ved livets opprinnelse. Til tross for dens grunnleggende betydning for alt liv i dag, var det uklart hvordan cystein kunne ha dannet seg på den tidlige jorden.
I en ny studie, publisert i Science, har UCL-forskere gjenskapt hvordan cystein ble dannet ved livets opprinnelse. I tillegg har de observert hvordan cystein, når det først er dannet, katalyserer fusjonen av peptider i vann - et grunnleggende skritt på veien mot proteinenzymer.
UCL-forskerne skapte cystein ved å bruke veldig enkel kjemi og kjemikalier - hydrogencyanid og hydrogensulfid - som sannsynligvis var rikelig på den tidlige jorden. Ruten som de har nøstet opp, ligner mye på hvordan cystein syntetiseres i levende organismer i dag, og forskerne tror de er historisk knyttet.
Studien fant også at cysteinrester katalyserer peptidsyntese i vann ved å sette sammen korte peptidfragmenter som teamet tidligere hadde funnet i en studie publisert i Nature i fjor.
Seniorforfatter professor Matthew Powner (UCL Chemistry) sa: "Våre resultater viser hvordan cystein kan ha dannet seg på den tidlige jorden og hvordan det kunne ha spilt en kritisk rolle i utviklingen av proteinsyntese.
"Når de er dannet, oppfører cysteinkatalysatorer seg som 'proto-enzymer' for å produsere peptider i vann. Denne robuste kjemien kunne ha generert peptider lenge nok til å foldes til enzymlignende strukturer, som ville være forløperne til proteinenzymene som er grunnleggende for alle levende organismer.«
Medlederforfatter og forskningsstipendiat Dr Saidul Islam (UCL Chemistry) sa: "Vi har vist at nitriler har den innebygde energien som kreves for å danne peptidbindinger i vann. Dette er den enkleste måten å lage peptider som fungerer med alle de 20 aminosyrene, noe som gjør det desto mer utrolig.
"Det er nettopp den typen enkel, men spesiell, kjemi som var avgjørende for å starte livet for flere milliarder år siden. Vår studie gir ytterligere bevis på at livets molekyler stammet fra nitrilkjemi på den tidlige jorden. «
Medforfatter Dr. Callum Foden, som fullførte arbeidet mens han var doktorgradsstudent ved UCL, sa: "Peptidsyntesen vi oppdaget er enkel, svært selektiv og bruker molekyler som var tilgjengelige på den tidlige jorden.
"En enkelt cysteinrest er nok til å produsere robust katalytisk aktivitet. Det er bemerkelsesverdig at så små molekyler kan utføre en så viktig (bio)kjemisk reaksjon, selektivt i vann, ved nøytral pH, og i så høye utbytter."
Da professor Powner diskuterte ytterligere implikasjoner av studien deres, sa: "Vi har løst et langvarig problem for livets opprinnelse ved å tilby en enkel løsning på katalytisk peptidsyntese i vann. Viktigere er at katalysatorene kun er bygget fra biologiens aminosyrer. Å forstå hvordan cystein kunne ha kontrollert dannelsen av jordens tidligste peptider har fått den lange veien fra kjemi til en levende organisme til å virke litt kortere og litt mindre skremmende.
"Vår studie antyder at cystein først ble introdusert i livets peptider ved modifisering av serin (en annen av livets aminosyrer). Dette reiser nå viktige spørsmål om den tidlige utviklingen og kodingen av peptidsyntese. Cystein er allment antatt å ikke ha vært tilstede i livets første genetiske kode, og dette passer godt med våre observasjoner. Resultatene våre indikerer at kodet serin kunne gi cysteinpeptider, noe som førte til en nøkkelrolle for cystein i evolusjonen selv før det ble tildelt livets genetiske kode.«
Studien mottok finansiering fra Simons Foundation, EPSRC og Volkswagen Foundation.
