Er formamid en plausibel præbiotisk forløber?

Naturen af de kemikalier, der spillede en rolle som præbiotiske forløbere på den primitive Jord, er stadig et omdiskuteret argument. I en generel tilgang til problemet bør der tages hensyn til følgende fysiske og kemiske egenskaber ved de simple organiske forbindelser, der er i betragtning. Nemlig: (i) den relative hyppighed af de biogene udgangsmaterialer, der skal anses for at være en forudsætning for den tidlige start af genetiske processer på denne planet, (ii) deres stabilitet, (iii) deres evne til at reagere for at give mere komplekse strukturer efter reproducerbare forløb. Dannelsen af prækursorer baseret på simple kemiske processer og den kvasi-simultane tilstedeværelse af alle de byggesten, der skal bruges til at samle informationsmolekyler, er andre vigtige forudsætninger.

(i) Tilgængelighed

Formamid (H2NCOH) opfylder de krævede kriterier for hyppighed og spredning i universet. Analysen af den molekylære sammensætning af kometer-asteroider og af de interstellare skyer viser, at de forbindelser, der består af de 4 mere almindelige og biologisk relevante grundstoffer H, O, C og N (undtagen He), er isocyanat HNCO og formamid H2NCOH . Formamid blev påvist i gasfasen i det interstellare medium, i den langvarige komet Hale-Bopp og forsøgsvis i den faste fase af korn omkring det unge stjerneobjekt W33A . Mulig formamidproduktion under Europa-lignende forhold blev observeret (Hand, K.; Carlson, R. W., Department of Geological & Environmental Sciences, Stanford University; personlig kommunikation, juli 2006).

(ii) Stabilitet

Formamid opfylder de krævede kriterier for stabilitet. Dette emne skal overvejes i forbindelse med hydrogencyanid (HCN)-kemi. Siden Oròs afgørende forsøg med syntesen af adenin fra HCN er der foretaget talrige undersøgelser for at vurdere denne forbindelses rolle i forbindelse med oprindelsen af de oprindelige nukleinsyrer . Ikke desto mindre er der stadig to uløste problemer med hensyn til HCN-kemiens præbiotiske relevans: (i) HCN’s termodynamiske ustabilitet under hydrolytiske forhold og (ii) det snævre panel af nukleobaser, som kun er begrænset til puriner, der kan dannes ved dets kondensationsproces. På baggrund af sidstnævnte observation blev der foreslået en purinforløber for nukleinsyrer, hvor de pyrimidiner, der findes i eksisterende nukleinsyrer, ville være post-enzymatiske substitutter for deres isoelektroniske og isogeometriske puriner . HCN er en gas under en lang række miljøforhold. HCN-kemi i homogen opløsning (det i vid udstrækning accepterede kemiske præbiotiske scenarie på den primitive jord) kræver således først og fremmest absorption i vand. Efter adsorptionsprocessen konkurrerer polymerisation og hydrolyse af HCN, idet resultaterne bestemmes af koncentrationen. De to reaktioner er ækvivalente ved koncentrationer af HCN på mellem 0,01 og 0,1 M (mellem pH 8 og 9). Hydrolyse til formamid (figur 1, ligning A) er fremherskende i fortyndede opløsninger, mens polymerisationen tager overhånd ved højere koncentrationer . Den stationære koncentration af HCN i det primitive hav blev på grundlag af de anslåede produktions- og hydrolysehastigheder beregnet til ved pH7 at være 4 × 10-12 M ved 100 °C og 2 × 10-5 M ved O °C. Disse koncentrationer er alt for lave til, at polymerisation til nukleobaser kan finde sted, hvilket begunstiger hydrolyse til formamid .

Da HCN er mere flygtigt end vand, kan det ikke koncentreres ved simpel fordampning ved pH lavere end dets pKa (9,2 ved 25°C). Dette foreslog eutektisk frysning som et middel for HCN til at nå den tilstrækkelige koncentration til polymerisation.

I samme undersøgelse blev hydrolysehastigheden (og den stationære koncentration) af formamid til ammoniumformiat (figur 1, ligning B) også anslået til 2 × 10-18, 1 × 10-15 og 1 × 10-9 M ved henholdsvis 200, 100 og 0°C, idet det blev antaget, at formamid i det primitive hav kun blev dannet ved HCN-hydrolyse.

På baggrund af disse data foreslår forfatterne, at “det er usandsynligt, at formamid kunne have spillet en væsentlig rolle i den præbiotiske kemi”, en ret definitiv sætning for denne forbindelse!

Denne antagelse tager imidlertid ikke hensyn til, at (i) formamid kan dannes fra præbiotiske forbindelser, der i høj grad er diffunderet på den primitive Jord, bortset fra HCN, og (ii) at formamid er flydende under et bredt spektrum af temperatur- og trykværdier, med et kogepunkt på 210°C og meget begrænsede azeotropiske effekter . I modsætning til HCN kan formamid i en tørrelagunemodel således let koncentreres, hvilket øger dets stabilitet ved koncentration og giver den tilstrækkelige koncentration til, at polymerisation til nukleobaser kan finde sted. Hydrolysen af formamid i vand blev undersøgt igen ved at studere opløsningsmidlets deuteriumkinetiske isotopiske effekt. Denne analyse gav en værdi af konstanten khyd på 1,1 × 10-10 s-1, svarende til en t1/2 på ca. 200 år ved 25°C og pH 7,0 .

(iii) Reaktivitet

Som en organisk forbindelse, der er i stand til at generere “in situ” mange andre simple kemikalier, der er nyttige til syntese af nukleobaser, kan formamid betragtes som en multifunktionel præbiotisk prækursor. Forholdet mellem de fremkomne prækursorer afhænger af de specifikke miljøforhold.

Ved 190-210 °C under atmosfærisk tryk nedbrydes formamid termisk enten til ammoniak (NH3) og carbonmonoxid (CO) (figur 1, ligning C) eller til HCN og vand (figur 1, ligning D). Dannelsen af HCN fremmes normalt ved tilstedeværelse af egnede katalysatorer, dvs. med aluminiumoxider er udbyttet ved temperaturer mellem 400°C og 600°C >90%, mens der i fravær af katalysatorer overvejende dannes NH3 og CO . Der påvises også andre nedbrydningsprodukter. Disse omfatter polymere hydrogencyanidderivater, der potentielt kan producere nukleobaser under hydrolytiske forhold. På grund af sin høje dielektriske konstant er formamid desuden et fremragende opløsningsmiddel for både metaloxider og uorganiske salte, der kan fungere som katalysatorer under kondensationsprocesserne til nukleobaser.

Sammensætningen af en reaktionsblanding baseret på formamid som hovedbestanddel er således afstemt ved sammensætningen af den miljømæssige reaktor, der ved forskel fra HCN giver alle de præbiotiske prækursorer, der er nødvendige for syntesen af både purin- og pyrimidinnukleobaser. Sammensætningen af panelet af de fremherskende produkter afhænger af de specifikke fysiske og kemiske egenskaber af de katalysatorer, der er til stede i reaktionsmediet, som beskrevet i det følgende.

Syntesen af nukleinprækursorer fra formamid

Nukleinbaser, en aminosyre og et kondensationsmiddel

Nukleinbaser

Vi har observeret, at formamid har den unikke egenskab at kondensere til både purin- og pyrimidinnukleobaser blot ved opvarmning ved 110-160°C i nærværelse af stort set diffunderede metaloxider og mineraler . De opnåede produkter er opført i tabel 1, krydset med de afprøvede katalysatorer og grupperet som funktion af (omtrentlig) stigende kompleksitet. Purin er den eneste forbindelse, der opnås ved opvarmning af formamid i fravær af katalysatorer. De mest relevante aspekter af dette store ensemble af produkter er:

– panelet af forbindelser opnået i tilstedeværelse af hver enkelt katalysator er “ren”. Der observeres kun få produkter, og i visse tilfælde er syntesen meget specifik, f.eks. i tilfælde af fosfatmineralet pyromorphit, der udelukkende giver cytosin, eller i tilfælde af childrenit, der næsten kun giver N-formylglycin. I andre tilfælde fås et rigere produktsortiment, f.eks. med pyrofosfat Na4P2O7, der (ud over purin) giver adenin, hypoxantin (en bioisoster af guanin), uracil, cytosin, N-formylglycin og carbodiimid; og med TiO2, der (ud over purin) giver adenin, N9-formylpurin, N9-N6-diformyladenin, cytosin, thymin og 5-hydroxymethyluracil.

– Ganske interessant er det, at TiO2 også katalyserer syntesen af purinacyclonukleosider (ikke rapporteret i tabel 1, se ref. 23). Denne observation er af særlig præbiotisk relevans på grund af den kendte vanskelighed med at opbygge β-glykosidbindingen mellem separat syntetiserede nukleobaser og sukkerstoffer under præbiotiske forhold . Under alle omstændigheder bevarer produktprofilerne, selv i tilfælde af blandinger af relativt højere kompleksitet, deres karakter af renhed og indeholder normalt ikke nedbrydningsprodukter eller yderligere klasser af forbindelser.

Glycin og carbodiimid

Det α-aminosyrederivat N-formylglycin blev påvist i formamidbaserede synteser katalyseret af fosfatmineraler, ofte ledsaget af carbodiimid . Syntesen af carbodiimid, som er et vigtigt middel til kondensation af aminosyrer til peptider, kunne være ansvarlig for dannelsen af formylglycin fra in situ genereret glycin , hvilket tyder på en rolle for formamid-fosfat-systemet i den præbiotiske syntese af peptider.

Intermediater af de syntetiske veje for komponenter i eksisterende nukleinsyrer er også observeret, dvs, 4-aminoimidazol-5-carboxamid (AICA), 4-formylaminoimidazol-5-carboxamid (f-AICA) og 5-hydroxymethyluracil.

De kemiske mekanismer, som alle disse synteser er baseret på, er beskrevet og kritisk diskuteret i .

Kemomimesis-begrebet som en selektor for præbiotiske forløbere

Som nævnt ovenfor er identiteten af de første præbiotiske forløbere for nukleinsyrer stadig et stridsspørgsmål. På den anden side afslører analysen af reaktionsmekanismen for simple organiske molekyler tilfælde, hvor der også produceres vigtige mellemprodukter, der svarer til dem, der er observeret i eksisterende biologiske veje. Begrebet kemomimesis finder anvendelse på disse overensstemmelser. Dette begreb, der først blev introduceret af Eschenmoser og Loewenthal i 1992 , henviser generelt til en kemisk reaktionsvej, der kan bruges som skabelon for de enzymatiske processer, der vil opstå senere i evolutionen, og som giver de samme slutprodukter. Denne egenskab kan i princippet skelne mellem to klasser af præbiotiske prækursorer: de prækursorer, der er i stand til at generere en kemomimetisk proces, og de prækursorer, der ikke er i stand til det. Formamidkemien viser interessante tilfælde af kemomimetik.

Som eksempel kan nævnes 5-aminoimidazol-4-carboxamid (AICA) og 5-formamido-imidazol-4-carboxamid (f-AICA), som fås med et højt udbytte ud over hypoxanthin ved opvarmning af formamid i nærværelse af montmorillonitter (tabel 1), er også vigtige mellemprodukter (som ribonukleotid-5′-monofosfater) i de sidste trin i den eksisterende biosyntese af inosin-5′-monofosfat (IMP), som er hovedvejen til purinnukleotider i cellen (figur 2).

Sådan er tilføjelsen af formaldehyd til et præformet uracil-stillads under syntesen af thymin fra formamid og TiO2 et vigtigt trin for indførelsen af methyldelen, i overensstemmelse med den eksisterende biosyntese af thymidin. I denne reaktion tilføjes en formaldehyd-enhed til uridin, maskeret som den aktiverede methylen-enhed af methylentetrahydrofolat (MTHF) for at give 5-hydroxymethyluracil-5′-monofosfat (HMU-5′-monofosfat). Thymidin vil blive fremstillet ved successiv hydridforskydningsomlægning.

Muligheden for, at tidlige kemiske begivenheder spillede en rolle som skabeloner for udviklingen af mere komplekse (men også mere effektive og selektive) enzymatiske veje, er et fascinerende koncept, der skal evalueres yderligere i studiet af den molekylære evolution af informationspolymerer.

Problemer i præbiotisk polymerisering

Aktiverede forløbere

Evolutionen af den genetiske information baseret på lineære polymerer indebærer en skabelonmedieret replikationsmekanisme. Den skabelonbaserede reproduktion gør det muligt at vedligeholde og lejlighedsvis ændre den akkumulerede information og dermed etablere kemisk baserede evolutionære regler. Der er rapporteret om ikke-enzymatiske selvreplikerende systemer baseret på skabelonstyret syntese af oligonukleotider (bl.a. rapporteret i , gennemgået i ), hvilket har givet et principielt bevis for plausibiliteten af denne generelle mekanisme. De første prægenetiske polymerer bestod ikke nødvendigvis af de sukkerkomponenter, der udgør de nuværende nukleinsyrer, og nukleosiderne var heller ikke tvangsmæssigt forbundet med de fosfoesterbindinger, som vi oplever i dag. Omfattende analyser af de mulige alternativer blev rapporteret . I mangel af direkte beviser eller solide indikationer for det modsatte antages det imidlertid med sikkerhed, at den genetiske evolution opstod på grundlag af RNA-lignende polymerer, at ribose- og fosfodiesterbindinger var de egentlige komponenter, hvis egenskaber muliggjorde og satte gang i evolutionen, og at de molekylære heste ikke blev ændret undervejs. De grunde, der taler til fordel for fosfat som forbindelseselement, er veletablerede .

Et generelt problem stammer fra det faktum, at dannelsen af en fosfodiesterbinding er termodynamisk op ad bakke. Således krævede den skabelonstyrede proteinfrie præbiotiske syntese af fosfodiester-bundne oligonukleotider højst sandsynligt anvendelse af kemisk aktiverede nukleotider.

Formamid-katalyseret fosforylering af nukleosider

Den præbiotiske relevans af de mekanismer, der er foreslået til fremstilling af aktiverede nukleosider, er tvivlsom . Den ellers vigtige observation, at tørring af det kemisk aktiverede nukleosid 5′-phosphorimidazolid-adenosin (ImpA) på overfladen af et Montmorillonit-ler, hvor et præ-absorberet decanukleotid kunne forlænges med op til 30 ekstra nukleotider, og lignende resultater i sammenlignelige systemer i , lider under den samme begrænsning. Der var således sandsynligvis tale om en effektiv og robust katalytisk mekanisme til aktivering (muligvis fosforylering) af nukleosider. Vi har observeret, at fosforylering af nukleosider let finder sted i tilstedeværelse af formamid og en fosfatdonor. Donoren kan være et opløseligt mono-, di- eller trifosfat eller et andet fosforyleret nukleosid eller et af flere krystallinske fosfatmineraler, herunder hydroxylapatit, libethenit og pseudomalachit (data ikke detaljeret, indsendt til offentliggørelse andetsteds). Fosforylering fandt sted på 5′-, 3′- eller 2′-C-atomerne af ribose-delen og 2′:Der blev også observeret 3′ og 3′:5′ cykliske phosphoesterformer. Baseret på den banebrydende observation af Orgel, at dinukleosiddiphosphater dannes fra adenosin 2′:3′ cyklisk fosfat, er dette cykliske fosfat ribonukleotidsystem muligvis af særlig præbiotisk relevans.

Vandig versus ikke-vandig

Den kemisk relativt lette dannelse af lineære polymerer fra aktiverede forløbere løser ikke problemet med deres oprindelse. Problemet med standardtilstandens frie Gibbs-energi-ændring (ΔG°’), som kritisk vurderet af van Holde , og den iboende ustabilitet af polymerer i opløsning begrænser dannelsen og overlevelsen af polymerer i vandige miljøer. ΔG°’-problemet er den største hindring for polymerisationer i flydende fase under præbiotiske forhold.

Fosforyleringen af nukleosider på mineralske overflader, der er nævnt ovenfor, blev opnået i tilstedeværelse af formamid. Således kan aktiverede nukleinmonomerer dannes i et flydende ikke-vandigt miljø under forhold, der er forenelige med polymeriseringens termodynamik, hvilket giver en operationel løsning. Hvis formamid giver aktiverede prækursorer ved fosforylering af nukleosider og tillader deres polymerisering ved en simpel trans-fosforyleringsreaktion (en stadig hypotetisk, men kemisk plausibel proces), ville den begrænsende faktor for udviklingen af prægenetiske molekyler blive stabiliteten af de resulterende polymeriserede former. Med andre ord er de fysisk-kemiske parametre, der begunstiger eller tillader overlevelse af den meget polymere tilstand, af afgørende betydning, når man overvejer de betingelser, hvorunder prægenetiske polymerer spontant kan polymerisere, replikere og udvikle sig. Derfor er det interessant at definere de indledende termodynamiske nicher, hvor den polymere tilstand kunne have været begunstiget i forhold til den monomere tilstand.

Disse nicher blev identificeret for både deoxyribo- og ribo-systemerne, hvilket viser, at bestemte kombinationer af temperatur og opløsningsmiddel begunstiger den polymere tilstand. Disse nicher er bemærkelsesværdigt bredere for RNA end for DNA (jf. data i versus ).

I forbindelse med “RNA-verdens”-hypotesen viser dette fund, at der ud over de tre vigtige egenskaber ved RNA også bør tages hensyn til egenskaben favoriseret persistens. Denne fjerde egenskab består af et ensemble af termodynamiske og kinetiske parametre, der vedrører polymerisationsprocessen og polymerernes stabilitet. De forhold, der begunstiger oligomerisk persistens, kunne potentielt give information om det miljø, hvori de urgenetiske molekyler opstod og overlevede.

Stabilitet som kritisk fænotype for evolutionen af informationspolymerer

I rekonstruktionen af overgangen fra monomerer til de informationsbærende polymerer, som vi kender i dag, og ved at opsummere de data, der er rapporteret ovenfor, har vi observeret, at formamid 1) kondenserer til alle de nukleinbaser, der er nødvendige for at danne nutidens nukleinsyrer. Denne proces kræver kun en moderat temperatur (110-160°C) og let tilgængelige katalysatorer. 2) Der dannes flere forbindelser, som omslutter en skjult β-glykosidbinding, hvilket potentielt løser det kemiske rebus, som nukleinbasernes manglende reaktivitet med sukkerstoffer udgør. 3) Formamidbaseret fosforylering af præformede nukleosider blev observeret (data indsendt andetsteds), hvilket giver en plausibel løsning på problemet med den kemisk robuste mekanisme, der er nødvendig for en ikke-fastidiøs produktion med højt udbytte af aktiverede prækursorer. Polymerdannelse kan antages at ske gennem en formamid-drevet skabelon-drevet skabelon-dirigeret trans-fosforyleringsproces. Den egnede skabelon kan være en mineraloverflade eller nukleiske polymerer. Disse processer giver en enkel kemisk ramme, hvor alle trin fra et kulstofatomforbindelsen H2NCOH til aktiverede nukleotider er blevet beskrevet. Alle disse reaktioner kræver formamid som byggemateriale og/eller som katalysator.

Der er imidlertid tale om organismer, der lever i vand, ikke i formamid. Og nukleinsyrernes struktur og egenskaber tyder stærkt på, at interaktion med vand er en af deres mest intime egenskaber. På hvilket tidspunkt kan overgangen fra et formamidmiljø til vand have fundet sted?

På dette punkt befinder vi os på hypotetisk grund. Lad os tage udgangspunkt i en model, hvor syntesen af et ribo-oligonukleotid er sket ved at forbinde præsyntetiserede nukleosider ], fosforyleret ved formamid-katalyseret fosforylering og forbundet ved formamid-katalyseret trans-fosforylering (hypotetisk). Phosphodiesterbroer mellem nukleosider kan være opstået mellem monomerer, der er bundet som enkelte enheder på fosfatmineraloverflader, der både giver en kilde til fosfatdele og en korrekt rumlig ordening. P-P-afstanden i en strakt nukleinsyre er veletableret 9,15 Å, hvilket stemmer godt overens med krystalcelledimensionerne for fosfatmineraler, hvis a- og b-værdier i et stort antal forskellige mineraler ligger mellem 6 og 10 Å (første generationsstadium). Alternativt eller på et senere tidspunkt ville der være dannet fosfodiesterbroer mellem aktiverede monomerer, der er bundet som enkelt enheder på nukleinsyre-templaten (anden generations fase). Begge stadier kræver formamid som det drivende kemikalie for dannelsen af fosfatbroer.