Je formamid pravděpodobným prebiotickým prekurzorem?

Podoba chemických látek, které hrály roli prebiotických prekurzorů na primitivní Zemi, je stále předmětem diskusí. Při obecném přístupu k problému je třeba vzít v úvahu následující fyzikální a chemické vlastnosti uvažovaných jednoduchých organických sloučenin. Jmenovitě: (i) relativní hojnost výchozích biogenních materiálů, které je třeba považovat za předpoklad časného nástupu genetických procesů na této planetě; (ii) jejich stabilita; (iii) jejich schopnost reagovat za vzniku složitějších struktur podle reprodukovatelných cest. Tvorba prekurzorů na základě jednoduchých chemických procesů a kvazisoučasná přítomnost všech stavebních kamenů, které mají být použity pro sestavení informačních molekul, jsou dalšími důležitými předpoklady.

(i) Dostupnost

Formamid (H2NCOH) splňuje požadovaná kritéria hojnosti a šíření ve vesmíru. Analýza molekulárního složení komet-asteroidů a mezihvězdných mračen ukazuje, že sloučeniny tvořené 4 nejběžnějšími a biologicky významnými prvky H, O, C a N (kromě He) jsou isokyanát HNCO a formamid H2NCOH . Formamid byl zjištěn v plynné fázi mezihvězdného prostředí , v dlouhé periodě komety Hale-Bopp a předběžně v pevné fázi zrn kolem mladého hvězdného objektu W33A . Byla pozorována možná produkce formamidu za podmínek podobných Evropě (Hand, K.; Carlson, R. W., Department of Geological & Environmental Sciences, Stanford University; osobní sdělení, červenec 2006).

(ii) Stabilita

Formamid splňuje požadovaná kritéria stability. Toto téma je třeba zvážit v souvislosti s chemií kyanovodíku (HCN). Od stěžejního Oròova pokusu o syntézu adeninu z HCN byla věnována řada studií posouzení úlohy této sloučeniny při vzniku prvotních nukleových kyselin . Přesto zůstávají dva problémy týkající se prebiotického významu chemie HCN nevyřešeny: (i) termodynamická nestabilita HCN za hydrolytických podmínek, (ii) úzký panel nukleobází, omezený pouze na puriny, které mohou vznikat jeho kondenzačním procesem. Z hlediska tohoto posledního pozorování byl navržen celopurinový prekurzor nukleových kyselin, v němž by pyrimidiny přítomné v existujících nukleových kyselinách byly postenzymatickými substituty jejich izoelektronických a izogeometrických purinů . HCN je plyn v širokém rozsahu podmínek prostředí. Chemie HCN v homogenním roztoku (převážně přijímaný chemický prebiotický scénář na primitivní Zemi) tedy nejprve vyžaduje absorpci ve vodě. Po procesu adsorpce si konkurují polymerace a hydrolýza HCN, přičemž výsledky jsou určeny jeho koncentrací. Obě reakce jsou ekvivalentní při koncentracích HCN mezi 0,01 a 0,1 M (mezi pH 8 a 9). Ve zředěných roztocích převládá hydrolýza na formamid (obrázek 1, rovnice A), zatímco při vyšších koncentracích převládá polymerace . Ustálená koncentrace HCN v primitivním oceánu byla na základě odhadovaných rychlostí jeho produkce a hydrolýzy vypočtena na 4 × 10-12 M při pH7 při 100 °C a 2 × 10-5 M při O°C. Tyto koncentrace jsou příliš nízké na to, aby mohlo dojít k polymeraci na nukleobáze, což upřednostňuje hydrolýzu na formamid .

Protože je HCN těkavější než voda, nelze jej při pH nižším než jeho pKa (9,2 při 25 °C) koncentrovat prostým odpařováním. To naznačuje eutektické mrznutí jako způsob, jakým HCN dosáhne dostatečné koncentrace pro polymeraci .

V téže studii byla také odhadnuta rychlost hydrolýzy (a ustálená koncentrace) formamidu na mravenčan amonný (obr. 1, rovnice B) na 2 × 10-18, 1 × 10-15 a 1 × 10-9 M při 200, 100 a 0 °C za předpokladu, že v primitivním oceánu vzniká formamid pouze hydrolýzou HCN.

Na základě těchto údajů autoři naznačují, že „je nepravděpodobné, že by formamid mohl plnit významnou úlohu v prebiotické chemii“, což je pro tuto sloučeninu zcela definitivní věta!

Tento předpoklad však nebere v úvahu, že (i) formamid může vznikat z prebiotických sloučenin, které se na primitivní Zemi do značné míry rozptýlily jinak než HCN, a (ii) že formamid je kapalný v širokém rozsahu hodnot teploty a tlaku, s bodem varu 210 °C a velmi omezeným azeotropním účinkem . Na rozdíl od HCN lze tedy formamid v modelu vysoušecí laguny snadno koncentrovat, což zvyšuje jeho stabilitu při koncentraci a poskytuje dostatečnou koncentraci pro polymeraci na nukleobáze. Hydrolýza formamidu ve vodě byla znovu prozkoumána studiem kinetického izotopového efektu deuteria v rozpouštědle. Tato analýza poskytla hodnotu konstanty khyd 1,1 × 10-10 s-1, což odpovídá t1/2 přibližně 200 let při 25 °C a pH 7,0.

(iii) Reaktivita

Jako organickou sloučeninu schopnou generovat „in situ“ mnoho dalších jednoduchých chemických látek užitečných pro syntézu nukleobází lze formamid považovat za multifunkční prebiotický prekurzor. Poměr poskytovaných prekurzorů závisí na konkrétních podmínkách prostředí.

Při 190-210 °C za atmosférického tlaku se formamid tepelně rozkládá buď na amoniak (NH3) a oxid uhelnatý (CO) (obrázek 1, rovnice C), nebo na HCN a vodu (obrázek 1, rovnice D). Vznik HCN je obvykle zvýhodněn v přítomnosti vhodných katalyzátorů, tj. s oxidy hliníku je výtěžek při teplotách mezi 400 °C a 600 °C >90 %, zatímco v nepřítomnosti katalyzátorů převažuje reakce za vzniku NH3 a CO . Zjištěny jsou rovněž další produkty rozkladu. Patří mezi ně polymerní deriváty kyanovodíku, které za hydrolytických podmínek potenciálně vytvářejí nukleobáze. Díky své vysoké dielektrické konstantě je formamid navíc vynikajícím rozpouštědlem pro oxidy kovů i anorganické soli, které mohou působit jako katalyzátory během kondenzačních procesů na nukleobáze.

Složení reakční směsi na bázi formamidu jako hlavní složky je tedy vyladěno složením environmentálního reaktoru poskytujícího na rozdíl od HCN všechny prebiotické prekurzory nezbytné pro syntézu purinových i pyrimidinových nukleobází. Složení panelu převládajících produktů závisí na specifických fyzikálních a chemických vlastnostech katalyzátorů přítomných v reakčním prostředí, jak je podrobně uvedeno níže.

Syntéza nukleových prekurzorů z formamidu

Nukleové báze, jedné aminokyseliny a kondenzačního činidla

Nukleové báze

Zjistili jsme, že formamid má jedinečnou vlastnost kondenzovat na purinové i pyrimidinové nukleobáze jednoduše po zahřátí při 110-160 °C v přítomnosti značně rozptýlených oxidů kovů a minerálů . Získané produkty jsou uvedeny v tabulce 1, zkřížené s testovanými katalyzátory a seskupené podle (přibližné) rostoucí složitosti. Purin je jedinou sloučeninou získanou zahříváním formamidu za nepřítomnosti katalyzátorů. Nejdůležitější aspekty tohoto velkého souboru produktů jsou:

– panel sloučenin získaných v přítomnosti každého katalyzátoru je „čistý“. Je pozorováno pouze několik produktů, v některých případech je syntéza vysoce specifická, jako v případě fosfátového minerálu pyromorfitu, který poskytuje výhradně cytosin, nebo v případě childrenitu, který poskytuje téměř pouze N-formylglycin. V jiných případech se získávají bohatší skupiny produktů, jako v případě pyrofosfátu Na4P2O7, který poskytuje (kromě purinu) adenin, hypoxantin (bioisoster guaninu), uracil, cytosin, N-formylglycin a karbodiimid; a s TiO2 za vzniku (kromě purinu) adeninu, N9-formylpurinu, N9-N6-diformyladeninu, cytosinu, thyminu a 5-hydroxymetyluracilu.

– Poměrně zajímavé je, že TiO2 katalyzuje také syntézu purinových acyklonukleosidů (není uvedeno v tabulce 1, viz odkaz 23). Toto pozorování má zvláštní prebiotický význam, protože je známo, že za prebiotických podmínek je obtížné vytvořit β-glykosidickou vazbu mezi samostatně syntetizovanými nukleobázami a cukry . Každopádně i v případě relativně složitějších směsí si profily produktů zachovávají charakter čistoty a obvykle neobsahují degradační produkty ani další třídy sloučenin.

Glycin a karbodiimid

Derivát α-aminokyseliny N-formylglycin byl zjištěn při syntézách na bázi formamidu katalyzovaných fosfát-minerály, často v doprovodu karbodiimidu . Syntéza karbodiimidu, který je důležitým činidlem pro kondenzaci aminokyselin do peptidů, by mohla být zodpovědná za tvorbu formylglycinu z glycinu generovaného in situ , což naznačuje roli formamid-fosfátového systému v prebiotické syntéze peptidů.

Prostředky syntetických cest pro složky existujících nukleových kyselin jsou rovněž pozorovány, tj, 4-aminoimidazol-5-karboxamid (AICA), 4-formylaminoimidazol-5-karboxamid (f-AICA) a 5-hydroxymethyluracil.

Chemické mechanismy, na nichž jsou všechny tyto syntézy založeny, jsou popsány a kriticky diskutovány v .

Koncept chemomimeze jako selektor prebiotických prekurzorů

Jak bylo uvedeno výše, identita prvních prebiotických prekurzorů nukleových kyselin je stále předmětem diskusí. Na druhou stranu analýza mechanismu reakcí jednoduchých organických molekul odhaluje případy, kdy vznikají i klíčové meziprodukty odpovídající těm, které jsou pozorovány v existujících biologických drahách. Na tyto shody se vztahuje pojem chemomimeze. Tento termín, poprvé zavedený Eschenmoserem a Loewenthalem v roce 1992 , obecně označuje chemickou reakční dráhu, kterou lze použít jako předlohu pro enzymatické procesy, které se objeví později v evoluci a dávají stejné konečné produkty. Touto vlastností lze v zásadě rozlišit dvě třídy prebiotických prekurzorů: prekurzory, které jsou schopny generovat chemomimetický proces, od těch, které nejsou schopny. Formamidová chemie vykazuje zajímavé případy chemomimeze.

Jako příklad lze uvést 5-aminoimidazol-4-karboxamid (AICA) a 5-formamido-imidazol-4-karboxamid (f-AICA), získané s vysokým výtěžkem kromě hypoxantinu při zahřívání formamidu v přítomnosti montmorillonitů (tabulka 1), jsou rovněž klíčovými meziprodukty (jako ribonukleotid-5′-monofosfáty) v posledních krocích dochované biosyntézy inosin-5′-monofosfátu (IMP), což je hlavní cesta k purinovým nukleotidům v buňce (obr. 2).

Podobně je přidání formaldehydu k předem vytvořenému uracilovému skeletu během syntézy thyminu z formamidu a TiO2 klíčovým krokem pro zavedení methylové části, což je v souladu s dochovanou biosyntézou thymidinu. Při této reakci se k uridinu přidává formaldehydová jednotka maskovaná jako aktivovaná methylenová jednotka methylen tetrahydrofolátu (MTHF) za vzniku 5-hydroxymetyluracil-5′-monofosfátu (HMU-5′-monofosfátu). Postupnou přestavbou hydridového posunu se získá tymidin.

Možnost, že rané chemické děje hrály roli šablon pro vývoj složitějších (ale také účinnějších a selektivnějších) enzymatických cest, je fascinující koncept, který je třeba dále vyhodnocovat při studiu molekulární evoluce informačních polymerů.

Problémy prebiotické polymerizace

Aktivované prekurzory

Evoluce genetické informace na bázi lineárních polymerů předpokládá šablonovitý mechanismus replikace. Reprodukce pomocí šablon umožňuje udržovat nahromaděnou informaci a příležitostně ji modifikovat, čímž se stanoví evoluční pravidla založená na chemickém principu. Byly popsány neenzymatické samoreplikující se systémy založené na syntéze oligonukleotidů řízené šablonou (mezi nimi systémy popsané v , recenzované v ), které poskytly principiální důkaz věrohodnosti tohoto obecného mechanismu. První předgenetické polymery nebyly nutně tvořeny cukernými částmi, které tvoří současné nukleové kyseliny, ani nebyly nukleosidy násilně spojeny fosfoesterovými vazbami, s nimiž se setkáváme dnes. Byly podány komplexní analýzy možných alternativ . Při absenci přímých důkazů nebo pádných indicií o opaku se však bezpečně předpokládá, že genetická evoluce vznikla na základě polymerů podobných RNA, že ribózové a fosfodiesterové vazby byly skutečnými složkami, jejichž vlastnosti umožnily a chick-startovaly evoluci, že molekulární koně se během běhu nezměnili. Důvody upřednostňující fosfát jako spojovací prvek jsou dobře známé .

Obecný problém vyplývá ze skutečnosti, že vznik fosfodiesterové vazby je termodynamicky do kopce. Prebiotická syntéza oligonukleotidů s fosfodiesterovou vazbou bez použití šablon tedy pravděpodobně vyžadovala použití chemicky aktivovaných nukleotidů.

Formamidem katalyzovaná fosforylace nukleosidů

Prebiotická relevance mechanismů navržených pro výrobu aktivovaných nukleosidů je sporná . Jinak důležité pozorování, že sušením chemicky aktivovaného nukleosidu 5′-fosforimidazolid-adenosinu (ImpA) na povrchu montmorillonitového jílu lze předem absorbovaný dekanukleotid prodloužit až o 30 dalších nukleotidů a podobné výsledky ve srovnatelných systémech v , trpí stejným omezením. Pravděpodobně se tedy jednalo o účinný a robustní katalytický mechanismus aktivace (případně fosforylace) nukleosidů. Pozorovali jsme, že fosforylace nukleosidů snadno probíhá v přítomnosti formamidu a donoru fosfátu. Donorem může být rozpustný mono-, di- nebo trifosfát; nebo jiný fosforylovaný nukleosid; nebo jeden z několika krystalických fosfátových minerálů, mezi něž patří hydroxylapatit, libethenit a pseudomalachit (údaje nejsou podrobně uvedeny, předloženy k publikaci jinde). Fosforylace probíhala na 5′, nebo 3′, nebo 2′ C atomu ribózové části a 2′:Byly také pozorovány 3′ a 3′:5′ cyklické fosfoesterové formy. Na základě průlomového Orgelova pozorování, že dinukleosidové difosfáty vznikají z cyklického fosfátu adenosinu 2′:3′, má tento cyklický fosfátový ribonukleotidový systém možná zvláštní prebiotický význam.

Vodný versus nevodný

Chemicky relativně snadná tvorba lineárních polymerů z aktivovaných prekurzorů neřeší problém jejich původu. Problém změny Gibbsovy volné energie ve standardním stavu (ΔG°‘), jak jej kriticky zhodnotil van Holde , a vnitřní nestabilita polymerů v roztoku omezují vznik a přežívání polymerů ve vodném prostředí. Problém ΔG°‘ je hlavní překážkou polymerizací v kapalné fázi v prebiotických podmínkách.

Výše zmíněná fosforylace nukleosidů na minerálních površích byla získána v přítomnosti formamidu. Aktivované nukleové monomery se tedy mohou tvořit v kapalném nevodném prostředí za podmínek slučitelných s termodynamikou polymerace, což poskytuje operativní řešení. Pokud by formamid poskytoval aktivované prekurzory fosforylací nukleosidů a umožňoval jejich polymeraci jednoduchou transfosforylační reakcí (zatím hypotetický, ale chemicky pravděpodobný proces), limitujícím faktorem pro vývoj pre-genetických molekul by se stala stabilita výsledných polymerovaných forem. Jinými slovy, při úvahách o podmínkách, za nichž by pre-genetické polymery mohly spontánně polymerizovat, replikovat se a vyvíjet se, mají zásadní význam fyzikálně-chemické parametry upřednostňující nebo umožňující přežití samotného polymerního stavu. Proto je zajímavé definovat počáteční termodynamické niky, do nichž mohl být polymerní stav zvýhodněn oproti monomernímu.

Tyto niky byly identifikovány jak pro deoxyribo, tak pro ribo systémy, přičemž se ukázalo, že definované kombinace teploty a rozpouštědla zvýhodňují polymerní stav. Tyto niky jsou u RNA pozoruhodně širší než u DNA (srov. údaje ve versus ).

V rámci hypotézy „světa RNA“ toto zjištění ukazuje, že kromě tří důležitých vlastností RNA je třeba vzít v úvahu také vlastnost zvýhodněné perzistence. Tato čtvrtá vlastnost se skládá ze souboru termodynamických a kinetických parametrů týkajících se polymeračního procesu a stability polymerů. Podmínky zvýhodňující oligomerní perzistenci by mohly potenciálně poskytnout informace o prostředí, v němž vznikly a přežily ur-genetické molekuly.

Stabilita jako kritický fenotyp pro evoluci informačních polymerů

Při rekonstrukci přechodu od monomerů k polymerům nesoucím informaci, které známe v současnosti, a při shrnutí výše uvedených údajů jsme zjistili, že formamid 1) kondenzuje na všechny nukleové báze potřebné k vytvoření současných nukleových kyselin. Tento proces vyžaduje pouze mírnou teplotu (110-160 °C) a snadno dostupné katalyzátory. 2) Vzniká několik sloučenin obalujících skrytou β-glykosidickou vazbu, což potenciálně řeší chemický rebus, který představuje nereaktivita nukleových bází s cukry. 3) Byla pozorována formamidová fosforylace preformovaných nukleosidů (údaje předloženy na jiném místě), což poskytuje pravděpodobné řešení problému chemicky robustního mechanismu potřebného pro nefastidní výrobu aktivovaných prekurzorů s vysokou výtěžností. Tvorbu polymerů lze hypoteticky předpokládat prostřednictvím procesu transfosforylace řízené formamidem. Vhodný templát by mohl být poskytnut minerálním povrchem nebo nukleovými polymery. Tyto procesy poskytují jednoduchý chemický rámec, do kterého byly popsány všechny kroky od sloučeniny s jedním atomem uhlíku H2NCOH k aktivovaným nukleotidům. Všechny tyto reakce vyžadují formamid jako stavební materiál a/nebo jako katalyzátor.

Žijící organismy však žijí ve vodě, nikoli ve formamidu. A struktura a vlastnosti nukleových kyselin silně napovídají, že interakce s vodou je jednou z jejich nejintimnějších vlastností. V jaké fázi mohlo dojít k přechodu z prostředí formamidu do vody?

V tomto bodě se pohybujeme na hypotetické půdě. Vyjděme z modelu, v němž syntéza ribo oligonukleotidu proběhla spojením předem syntetizovaných nukleosidů ], fosforylovaných formamidem katalyzovanou fosforylací a spojených formamidem katalyzovanou trans-fosforylací (hypoteticky). Fosfodiesterové můstky mezi nukleosidy mohly vznikat mezi monomery vázanými jako jednotlivé jednotky na fosfátových minerálních površích, které poskytují jak zdroj fosfátových částí, tak správné prostorové uspořádání. Vzdálenost P-P v natažené nukleové kyselině je dobře zavedených 9,15 Å, což dobře koresponduje s rozměry krystalové buňky fosfátových minerálů, jejichž hodnoty a a b se u velkého počtu různých minerálů pohybují mezi 6 a 10 Å (stupeň první generace). Alternativně nebo v pozdější fázi by se vytvořily fosfodiesterové můstky mezi aktivovanými monomery vázanými jako jednotlivé jednotky na templátu nukleové kyseliny (fáze druhé generace). Obě fáze vyžadují formamid jako hnací chemickou látku pro tvorbu fosfátových můstků

.