A formamid plauzibilis prebiotikus prekurzor?

A prebiotikus prekurzor szerepét az ősföldön betöltő vegyi anyagok természete még mindig vitatott kérdés. A probléma általános megközelítésében a vizsgált egyszerű szerves vegyületek következő fizikai és kémiai tulajdonságait kell figyelembe venni. Nevezetesen: (i) a kiindulási biogén anyagok relatív bőségét, amelyet a genetikai folyamatok korai kezdetének előfeltételének kell tekinteni ezen a bolygón; (ii) stabilitásukat; (iii) képességüket arra, hogy reprodukálható utakat követve összetettebb szerkezetek kialakulásához reagáljanak. Az egyszerű kémiai folyamatokon alapuló prekurzorok képződése és az információs molekulák összeállításához felhasználandó összes építőelem kvázi egyidejű jelenléte további fontos követelmény.

(i) Elérhetőség

A formamid (H2NCOH) megfelel a bőség és a világegyetemben való elterjedés szükséges kritériumainak. Az üstökösök-aszteroidák és a csillagközi felhők molekuláris összetételének elemzése azt mutatja, hogy a 4 leggyakoribb és biológiailag relevánsabb H, O, C és N elemből (He kivételével) álló vegyületek az izocianát HNCO és a formamid H2NCOH . Formamidot mutattak ki a csillagközi közeg gázfázisában , a hosszú periódusú Hale-Bopp üstökösben , és kísérleti jelleggel a W33A fiatal csillag objektum körüli szemcsék szilárd fázisában. Megfigyelték a formamid lehetséges keletkezését Europa-szerű körülmények között (Hand, K.; Carlson, R. W., Department of Geological & Environmental Sciences, Stanford University; személyes közlés, 2006. július).

(ii) Stabilitás

A formamid megfelel a stabilitás szükséges kritériumainak. Ezt a témát a hidrogén-cianid (HCN) kémiájával összefüggésben kell figyelembe venni. Orò sarkalatos kísérlete óta, amely az adenin HCN-ből történő szintézisére irányult, számos tanulmányt szenteltek annak, hogy felmérjék e vegyület szerepét az őseredeti nukleinsavak keletkezésében . Mindazonáltal a HCN-kémia prebiotikus jelentőségével kapcsolatban két probléma megoldatlan maradt: (i) a HCN termodinamikai instabilitása hidrolitikus körülmények között, (ii) a nukleobázisok szűk köre, amely csak a purinokra korlátozódik, amelyek kondenzációs folyamatával képződhetnek. Ez utóbbi megfigyelés tükrében a nukleinsavak tisztán purin prekurzorát javasolták, amelyben a létező nukleinsavakban jelenlévő pirimidinek az izoelektronikus és izogeometrikus purinok poszt-enzimatikus helyettesítői lennének . A HCN a környezeti feltételek széles skáláján gázként viselkedik. Így a HCN kémia homogén oldatban (a nagyrészt elfogadott kémiai prebiotikus forgatókönyv a primitív Földön) először is vízben való felszívódást igényel. Az adszorpciós folyamat után a HCN polimerizációja és hidrolízise versenyez, az eredményeket a koncentráció határozza meg. A két reakció egyenértékű a HCN 0,01 és 0,1 M közötti (8 és 9 pH közötti) koncentrációjánál. A hidrolízis formamiddá (1. ábra, A egyenlet) híg oldatokban dominál, míg nagyobb koncentrációknál a polimerizáció veszi át a hatalmat . Az ősóceánban a HCN állandósult koncentrációját a keletkezés és hidrolízis becsült sebessége alapján úgy számították ki, hogy pH7 esetén 4 × 10-12 M 100°C-on és 2 × 10-5 M O°C-on. Ezek a koncentrációk túlságosan alacsonyak ahhoz, hogy a nukleobázisokká történő polimerizáció bekövetkezzen, és így a formamiddá történő hidrolízisnek kedveznek .

Mivel a HCN illékonyabb, mint a víz, pKa értékénél (9,2 25°C-on) alacsonyabb pH-nál (9,2) nem lehet egyszerű párologtatással koncentrálni. Ez azt sugallta, hogy a HCN eutektikus fagyasztás útján éri el a polimerizációhoz elegendő koncentrációt .

Az ugyanebben a tanulmányban a formamid hidrolízisének sebességét (és az állandósult koncentrációt) ammónium-formiáttá (1. ábra, B egyenlet) szintén 2 × 10-18, 1 × 10-15 és 1 × 10-9 M-re becsülték 200, 100 és 0°C-on, feltételezve, hogy az ősóceánban a formamid csak HCN hidrolízisével keletkezett.

A szerzők ezen adatok alapján azt sugallják, hogy “nem valószínű, hogy a formamid jelentős szerepet játszhatott volna a prebiotikus kémiában”, ami elég határozott mondat erre a vegyületre!

Ez a feltételezés azonban nem veszi figyelembe, hogy (i) a formamid képződhet a prebiotikus vegyületekből, amelyek a HCN-en kívül a primitív Földön nagymértékben elterjedtek, és (ii) a formamid a hőmérséklet és nyomásértékek széles tartományában folyékony, 210°C-os forrásponttal és nagyon korlátozott azeotróp hatásokkal . Így a HCN-től eltérően a formamid a szárító lagúnamodellben könnyen koncentrálható, ami növeli a stabilitását a koncentráció során, és megfelelő koncentrációt biztosít a nukleobázisokká történő polimerizációhoz. A formamid vízben történő hidrolízisét az oldószer deutérium kinetikai izotóphatásának vizsgálatával újból megvizsgáltuk. Ez az elemzés a khyd állandó 1,1 × 10-10 s-1 értékét adta meg, ami 25°C-on és 7,0 pH-n kb. 200 éves t1/2 értéknek felel meg.

(iii) Reaktivitás

A formamid mint olyan szerves vegyület, amely képes “in situ” számos más, a nukleobázisok szintéziséhez hasznos egyszerű vegyületet létrehozni, multifunkcionális prebiotikus prekurzornak tekinthető. A keletkező prekurzorok aránya az adott környezeti körülményektől függ.

A formamid 190-210°C-on, légköri nyomáson termikusan bomlik ammóniává (NH3) és szén-monoxiddá (CO) (1. ábra, C egyenlet) vagy HCN-re és vízre (1. ábra, D egyenlet). A HCN képződése általában megfelelő katalizátorok jelenlétében előnyös, azaz alumínium-oxidokkal a hozam 400°C és 600°C közötti hőmérsékleten >90%, míg katalizátorok hiányában az NH3 és CO képző reakció dominál. További bomlástermékek is kimutathatók. Ezek közé tartoznak a polimer hidrogén-cianid-származékok, amelyek hidrolitikus körülmények között potenciálisan nukleobázisokat termelnek. Nagy dielektromos állandója miatt a formamid emellett kiváló oldószer mind a fémoxidok, mind a szervetlen sók számára, amelyek katalizátorként működhetnek a nukleobázisokká történő kondenzációs folyamatok során.

A formamidon mint fő komponensen alapuló reakcióelegy összetételét tehát a környezeti reaktor összetétele hangolja, amely a HCN-től eltérően a purin- és pirimidin nukleobázisok szintéziséhez szükséges összes prebiotikus prekurzort biztosítja. Az uralkodó termékek panelének összetétele a reakcióközegben jelen lévő katalizátorok sajátos fizikai és kémiai tulajdonságaitól függ, amint azt az alábbiakban részletezzük.

Nuklein prekurzorok szintézise formamidból

Nukleinbázisok, egy aminosav és egy kondenzálószer

Nukleinbázisok

Megfigyeltük, hogy a formamidnak az az egyedülálló tulajdonsága, hogy 110-160°C-on, nagymértékben diffúz fémoxidok és ásványok jelenlétében történő melegítés hatására egyszerűen mind purin-, mind pirimidin-nukleobázisokká kondenzálódik . A kapott termékeket az 1. táblázat tartalmazza, a vizsgált katalizátorokkal keresztezve és a (hozzávetőlegesen) növekvő bonyolultság függvényében csoportosítva. A purin az egyetlen vegyület, amelyet a formamid katalizátorok nélküli hevítésével nyertek. A termékek e nagy együttesének legfontosabb szempontjai:

– az egyes katalizátorok jelenlétében kapott vegyületek táblája “tiszta”. Csak kevés termék figyelhető meg, bizonyos esetekben a szintézis igen specifikus, mint például a foszfátásvány piromorfit esetében, amely kizárólag citozint ad, vagy a gyermekit esetében, amely szinte csak N-formilglicint ad. Más esetekben gazdagabb termékcsoportokat kapunk, mint a Na4P2O7 pirofoszfát esetében, amely (a purin mellett) adenint, hipoxantint (a guanin bioizoszterét), uracilt, citozint, N-formilglicint és karbodiimidet eredményez; TiO2-vel pedig (a purin mellett) adenint, N9-formilpurint, N9-N6-diformiladenint, citozint, timint és 5-hidroximetiluracilt.

– Elég érdekes módon a TiO2 katalizálja a purin-aciklonukleozidok szintézisét is (az 1. táblázatban nem szerepel, lásd a 23. hivatkozást). Ez a megfigyelés különösen prebiotikus jelentőségű, mivel a prebiotikus körülmények között a külön szintetizált nukleobázisok és cukrok közötti β-glikozidos kötés kialakításának ismert nehézségei miatt . Mindenesetre még a viszonylag nagyobb komplexitású keverékek esetében is a termékprofilok megőrzik a tisztaság jellegét, és általában nem tartalmaznak bomlástermékeket vagy további vegyületosztályokat.

Glicin és karbodiimid

A foszfát-ásványi anyagok által katalizált formamid-alapú szintézisekben kimutatták az α-aminosav-származék N-formilglicint, gyakran karbodiimiddel együtt . A karbodiimid szintézise, amely az aminosavak peptidekké történő kondenzációjának fontos ágense, felelős lehet a formilglicin in situ keletkezett glicinből történő képződéséért , ami a formamid-foszfát rendszer szerepére utal a peptidek prebiotikus szintézisében.

A létező nukleinsavak összetevőinek szintetikus útjainak közvetítőit is megfigyelték, ill, 4-aminoimidazol-5-karboxamid (AICA), 4-formilaminoimidazol-5-karboxamid (f-AICA) és 5-hidroxi-metiluracil.

A kémiai mechanizmusokat, amelyeken mindezen szintézisek alapulnak, a .

A kemomimesis fogalma, mint a prebiotikus prekurzorok szelektora

Amint fentebb említettük, a nukleinsavak első prebiotikus prekurzorainak azonossága még mindig vita tárgya. Másrészt az egyszerű szerves molekulák reakciómechanizmusának elemzése olyan eseteket tár fel, amelyekben olyan kulcsfontosságú köztitermékek is keletkeznek, amelyek megfelelnek a létező biológiai útvonalakban megfigyelteknek. Ezekre a megfeleltetésekre a kemomimézis fogalma vonatkozik. Ez a kifejezés, amelyet először Eschenmoser és Loewenthal vezetett be 1992-ben , általában olyan kémiai reakcióútra utal, amely sablonként használható az evolúció során később megjelenő, azonos végtermékeket eredményező enzimatikus folyamatokhoz. Ez a tulajdonság elvileg a prebiotikus prekurzorok két osztályát különbözteti meg: azokat a prekurzorokat, amelyek képesek kemomimetikus folyamatot létrehozni, azoktól, amelyek nem. A formamidkémia a kemomimézis érdekes eseteit mutatja.

Példa erre az 5-aminoimidazol-4-karboxamid (AICA) és az 5-formamido-imidazol-4-karboxamid (f-AICA), amelyeket nagy hozammal kaptunk a hipoxantin mellett a formamid montmorillonitok jelenlétében történő hevítésekor (1. táblázat), szintén kulcsfontosságú köztes termékek (ribonukleotid-5′-monofoszfátokként) az inozin-5′-monofoszfát (IMP) bioszintézisének utolsó lépéseiben, amely a sejtben a purin-nukleotidok fő útvonala (2. ábra).

Hasonlóképpen, a formaldehid hozzáadása egy előre kialakított uracil állványzathoz a timin formamidból és TiO2-ból történő szintézise során a metil-rész bevezetésének kulcsfontosságú lépése, összhangban a timidin létező bioszintézisével. Ebben a reakcióban egy formaldehid egység adódik az uridinhez, amely a metilén-tetrahidrofolát (MTHF) aktivált metilén egységének maszkírozásával 5-hidroxi-metiluracil-5′-monofoszfátot (HMU-5′-monofoszfát) kap. A timidint egymást követő hidrideltolódásos átrendeződéssel nyerik.

Az a lehetőség, hogy a korai kémiai események sablonok szerepét játszották a bonyolultabb (de egyben hatékonyabb és szelektívebb) enzimatikus útvonalak kialakulásában, olyan lenyűgöző elképzelés, amelyet tovább kell vizsgálni az információs polimerek molekuláris evolúciójának tanulmányozása során.

A prebiotikus polimerizáció problémái

Activált prekurzorok

A lineáris polimereken alapuló genetikai információ evolúciója sablonok által közvetített replikációs mechanizmust feltételez. A sablonvezérelt reprodukció lehetővé teszi a felhalmozott információ fenntartását és időnkénti módosítását, ezáltal kémiai alapú evolúciós szabályokat hoz létre. Az oligonukleotidok sablonvezérelt szintézisén alapuló, nem enzimatikus önreprodukáló rendszerekről számoltak be (köztük a , áttekintve a ), amelyek elvi bizonyítékot szolgáltattak ennek az általános mechanizmusnak a plauzibilitására. Az első pregenetikus polimerek nem feltétlenül a mai nukleinsavakat alkotó cukorrészekből álltak, és a nukleozidokat sem kötötték össze a ma ismert foszforészterkötések. A lehetséges alternatívák átfogó elemzéséről számoltak be. Közvetlen bizonyítékok vagy az ellenkezőjére utaló szilárd jelek hiányában azonban nyugodtan feltételezhető, hogy a genetikai evolúció RNS-szerű polimerek alapján jött létre, hogy a ribóz és a foszfodiészter kötések voltak a tényleges komponensek, amelyek tulajdonságai lehetővé tették és csírájában elindították az evolúciót, hogy a molekuláris lovak nem változtak a futás során. A foszfátot mint kötőelemet előnyben részesítő okok jól ismertek .

Az általános probléma abból adódik, hogy a foszfodiészterkötés kialakulása termodinamikailag felemás. Így a foszfodiészter-kötésű oligonukleotidok sablonvezérelt, fehérje nélküli prebiotikus szintéziséhez valószínűleg kémiailag aktivált nukleotidok felhasználására volt szükség.

Formamid-katalizált nukleozidok foszforilációja

Az aktivált nukleozidok előállítására javasolt mechanizmusok prebiotikus jelentősége megkérdőjelezhető . Az egyébként fontos megfigyelés, hogy a kémiailag aktivált 5′-foszforimidazolid-adenozin (ImpA) nukleozidot egy montmorillonit agyag felületére szárítva egy előre abszorbeált dekanukleotid akár 30 további nukleotiddal is megnyújtható, és hasonló eredmények hasonló rendszerekben a , ugyanezen korlátozástól szenved. Így valószínűleg a nukleozidok aktiválásának (esetleg foszforilációjának) hatékony és robusztus katalitikus mechanizmusa játszott szerepet. Megfigyeltük, hogy a nukleozidok foszforilációja könnyen bekövetkezik formamid és foszfátdonor jelenlétében. A donor lehet egy oldható mono-, di- vagy trifoszfát; vagy egy különböző foszforilált nukleozid; vagy számos kristályos foszfátásvány egyike, köztük a hidroxilapatit, a libetenit és a pszeudomalachit (adatok nem részletesek, máshol publikálásra benyújtottuk). A foszforiláció a ribózrész 5′, vagy a 3′, vagy a 2′ C-atomján, illetve a 2′ C-atomon történt:3′ és 3′:5′ ciklikus foszforészter formákat is megfigyeltek. Orgel úttörő megfigyelése alapján, miszerint az adenozin 2′:3′ ciklikus foszfátjából dinukleozid-difoszfátok képződtek, ez a ciklikus foszfát ribonukleotid rendszer esetleg különös prebiotikus jelentőséggel bír.

Vizes kontra nem vizes

A lineáris polimerek aktivált prekurzorokból történő kémiailag viszonylag könnyű képzése nem oldja meg eredetük problémáját. A van Holde által kritikusan értékelt standard állapotú Gibbs-féle szabadenergia-változás (ΔG°’) problémája és a polimerek oldatban való eredendő instabilitása korlátozza a polimerek vizes környezetben való kialakulását és túlélését. A ΔG°’ probléma a fő akadálya a folyadékfázisú polimerizációnak prebiotikus körülmények között.

A fent említett nukleozidok foszforilációját ásványi felületeken formamid jelenlétében kaptuk. Így az aktivált nuklein monomerek folyékony, nem vizes környezetben a polimerizáció termodinamikájával kompatibilis körülmények között képződhetnek, ami működőképes megoldást jelent. Ha a formamid a nukleozidok foszforilációjával aktivált prekurzorokat biztosítana, és lehetővé tenné azok polimerizációját egy egyszerű transz-foszforilációs reakcióval (egy még hipotetikus, de kémiailag plauzibilis folyamat), akkor a pregenetikus molekulák fejlődésének korlátozó tényezője a keletkező polimerizált formák stabilitása lenne. Más szóval, amikor azokat a körülményeket vizsgáljuk, amelyek között a pregenetikus polimerek spontán polimerizálódhatnak, replikálódhatnak és fejlődhetnek, azok a fizikai-kémiai paraméterek, amelyek a polimer állapot fennmaradását elősegítik vagy lehetővé teszik, kiemelkedő jelentőséggel bírnak. Ezért érdekes meghatározni azokat a kezdeti termodinamikai réseket, amelyekben a polimer állapot a monomer állapothoz képest előnyben részesülhetett.

Ezeket a réseket mind a dezoxiribo, mind a ribo rendszer esetében azonosítottuk, megmutatva, hogy a hőmérséklet és az oldószer meghatározott kombinációi a polimer állapotnak kedveznek. Ezek a fülkék az RNS esetében figyelemre méltóan szélesebbek, mint a DNS esetében (vö. adatok versus ).

Az “RNS-világ” hipotézis keretében ez az eredmény azt mutatja, hogy az RNS három fontos tulajdonsága mellett az előnyös perzisztencia tulajdonságát is figyelembe kell venni. Ez a negyedik tulajdonság a polimerizációs folyamatra és a polimerek stabilitására vonatkozó termodinamikai és kinetikai paraméterek együtteséből áll. Az oligomer perzisztenciának kedvező feltételek potenciálisan információt szolgáltathatnak arról a környezetről, amelyben az ur-genetikus molekulák létrejöttek és fennmaradtak.”

A stabilitás mint az információs polimerek evolúciójának kritikus fenotípusa

A monomerektől a jelenleg ismert információhordozó polimerekig tartó átmenet rekonstruálásakor és a fent közölt adatokat összegezve megfigyeltük, hogy a formamid 1) a mai nukleinsavak kialakításához szükséges összes nukleinbázissá kondenzálódik. Ez a folyamat csak mérsékelt hőmérsékletet (110-160°C) és könnyen hozzáférhető katalizátorokat igényel. 2) Több olyan vegyület keletkezik, amely rejtett β-glikozidos kötést foglal magába, ami potenciálisan megoldja a nukleinbázisok cukrokkal való nem-reaktivitása által felvetett kémiai rejtélyt. 3) Megfigyelték az előformált nukleozidok formamid-alapú foszforilációját (máshol benyújtott adatok), ami plauzibilis megoldást jelent az aktivált prekurzorok nem gyors, nagy hozamú előállításához szükséges kémiailag robusztus mechanizmus problémájára. A polimerek képződése feltételezhetően egy formamidvezérelt templátvezérelt transz-foszforilációs folyamat révén valósulhat meg. A megfelelő templátot egy ásványi felület vagy nukleáris polimerek biztosíthatják. Ezek a folyamatok egy egyszerű kémiai keretet biztosítanak, amelyben az egy szénatomos H2NCOH vegyülettől az aktivált nukleotidokig minden lépést leírtak. Mindezek a reakciók építőanyagként és/vagy katalizátorként formamidot igényelnek.

A létező szervezetek azonban vízben élnek, nem pedig formamidban. A nukleinsavak szerkezete és tulajdonságai pedig erősen utalnak arra, hogy a vízzel való kölcsönhatás az egyik legbensőségesebb tulajdonságuk. Melyik szakaszban történhetett meg az átmenet a formamid környezetből a vízbe?

Ezzel a ponttal hipotetikus alapokon állunk. Induljunk ki egy olyan modellből, amelyben egy ribo-oligonukleotid szintézise az előszintetizált nukleozidok ] összekapcsolásával történt, amelyeket formamid-katalizált foszforilációval foszforiláltak és formamid-katalizált transz-foszforilációval kapcsoltak össze (hipotetikus). A nukleozidok közötti foszfodiészterhidak a foszfát-ásványi felületeken egyetlen egységként megkötött monomerek között jöhettek létre, amelyek mind a foszfátrészek forrását, mind a megfelelő térbeli elrendeződést biztosítják. A P-P távolság egy kifeszített nukleinsavban a jól ismert 9,15 Å, ami jó összhangban van a foszfátásványok kristálycellaméreteivel, amelyek a és b értékei számos különböző ásványban 6 és 10 Å közé esnek (első generációs szakasz). Alternatívaként vagy egy későbbi szakaszban foszfodiészterhidak alakulhattak volna ki a nukleinsav templáton egyetlen egységként kötött aktivált monomerek között (második generációs szakasz). Mindkét szakaszban formamidra van szükség, mint a foszfáthidak kialakulásának hajtóanyagára.