Czy formamid jest prawdopodobnym prekursorem prebiotycznym?

Natura związków chemicznych, które odegrały rolę prekursorów prebiotycznych na pierwotnej Ziemi jest nadal przedmiotem dyskusji. W ogólnym podejściu do problemu należy wziąć pod uwagę następujące właściwości fizyko-chemiczne rozważanych prostych związków organicznych. Mianowicie: (i) względną obfitość wyjściowych materiałów biogenicznych, którą należy uznać za warunek wstępny wczesnego rozpoczęcia procesów genetycznych na tej planecie; (ii) ich stabilność; (iii) zdolność do reagowania w celu otrzymania bardziej złożonych struktur po powtarzalnych ścieżkach. Tworzenie prekursorów w oparciu o proste procesy chemiczne oraz prawie jednoczesna obecność wszystkich elementów składowych, które mają być użyte do złożenia cząsteczek informacyjnych, to inne ważne warunki.

(i) Dostępność

Formamid (H2NCOH) spełnia wymagane kryteria obfitości i rozprzestrzeniania się we Wszechświecie. Analiza składu molekularnego komet-asteroid i obłoków międzygwiazdowych wykazuje, że związkami zbudowanymi z 4 bardziej powszechnych i biologicznie istotnych pierwiastków H, O, C i N (z wyłączeniem He) są izocyjanian HNCO i formamid H2NCOH . Formamid został wykryty w fazie gazowej ośrodka międzygwiazdowego, w komecie długookresowej Hale-Bopp oraz wstępnie w fazie stałej ziaren wokół młodego obiektu gwiezdnego W33A . Possible formamide production under Europa-like conditions was observed (Hand, K.; Carlson, R. W., Department of Geological & Environmental Sciences, Stanford University; personal communication, July 2006).

(ii) Stability

Formamid spełnia wymagane kryteria stabilności. Temat ten należy rozpatrywać w powiązaniu z chemią cyjanowodoru (HCN). Od czasu kluczowego eksperymentu Orò dotyczącego syntezy adeniny z HCN, wiele badań poświęcono ocenie roli tego związku w powstaniu pierwotnych kwasów nukleinowych. Niemniej jednak, dwa problemy związane z prebiotycznym znaczeniem chemii HCN pozostają nierozwiązane: (i) niestabilność termodynamiczna HCN w warunkach hydrolitycznych, (ii) wąski panel nukleobaz, ograniczony jedynie do puryn, które mogą powstawać w procesie jego kondensacji. W perspektywie tej ostatniej obserwacji zaproponowano wszech-purynowy prekursor kwasów nukleinowych, w którym pirymidyny obecne w istniejących kwasach nukleinowych byłyby postenzymatycznymi substytutami ich izoelektronowych i izogeometrycznych puryn. HCN jest gazem w szerokim zakresie warunków środowiskowych. Tak więc, chemia HCN w roztworze jednorodnym (powszechnie akceptowany chemiczny scenariusz prebiotyczny na pierwotnej Ziemi) wymaga najpierw absorpcji w wodzie. Po procesie adsorpcji polimeryzacja i hydroliza HCN konkurują ze sobą, a wyniki zależą od jego stężenia. Obie reakcje są równoważne przy stężeniu HCN pomiędzy 0,01 a 0,1 M (pomiędzy pH 8 i 9). W rozcieńczonych roztworach przeważa hydroliza do formamidu (rysunek 1, równanie A), natomiast polimeryzacja zachodzi przy wyższych stężeniach. Stężenie HCN w stanie ustalonym w pierwotnym oceanie obliczono, na podstawie oszacowanych szybkości jego wytwarzania i hydrolizy, na 4 × 10-12 M w pH7 w temperaturze 100°C i 2 × 10-5 M w temperaturze O°C. Stężenia te są zdecydowanie zbyt niskie, aby mogła zachodzić polimeryzacja do nukleobaz, co sprzyja hydrolizie do formamidu .

Podstawowa chemia formamidu. Schemat podsumowujący podstawową chemię formamidu; więcej szczegółów w tekście.

Ponieważ HCN jest bardziej lotny niż woda, nie może być skoncentrowany przez proste odparowanie przy pH niższym niż jego pKa (9,2 w 25°C). To sugerowało eutektyczne zamrażanie jako sposób dla HCN, aby osiągnąć wystarczające stężenie do polimeryzacji.

W tym samym badaniu, szybkość hydrolizy (i stężenie w stanie ustalonym) formamidu do mrówczanu amonu (rysunek 1, równanie B) również oszacowano jako 2 × 10-18, 1 × 10-15 i 1 × 10-9 M, w 200, 100 i 0 ° C, odpowiednio, zakładając, że w pierwotnym oceanie formamid został utworzony tylko przez hydrolizę HCN.

Na podstawie tych danych autorzy sugerują, że „jest mało prawdopodobne, aby formamid mógł odegrać znaczącą rolę w chemii prebiotycznej”, co w przypadku tego związku jest zdaniem dość ostatecznym!

Jednakże założenie to nie bierze pod uwagę, że (i) formamid może być utworzony ze związków prebiotycznych w dużej mierze rozproszonych na pierwotnej Ziemi innych niż HCN, oraz (ii) że formamid jest cieczą w szerokim zakresie wartości temperatury i ciśnienia, z temperaturą wrzenia 210°C i bardzo ograniczonymi efektami azeotropowymi . Tak więc, w przeciwieństwie do HCN, formamid w modelu laguny suszącej może być łatwo skoncentrowany, co zwiększa jego stabilność po stężeniu i zapewnia odpowiednie stężenie do polimeryzacji do nukleobaz. Hydroliza formamidu w wodzie została ponownie zbadana poprzez analizę kinetycznego efektu izotopowego deuteru rozpuszczalnika. Analiza ta dostarczyła wartości stałej khyd równej 1.1 × 10-10 s-1, odpowiadającej t1/2 około 200 lat w 25°C i pH 7.0.

(iii) Reaktywność

Jako związek organiczny zdolny do generowania „in situ” wielu innych prostych związków chemicznych przydatnych do syntezy nukleobaz, formamid może być uważany za wielofunkcyjny prekursor prebiotyczny. Stosunek ilościowy otrzymanych prekursorów zależy od konkretnych warunków środowiskowych.

W temperaturze 190-210°C pod ciśnieniem atmosferycznym formamid rozkłada się termicznie albo do amoniaku (NH3) i tlenku węgla (CO) (Rysunek 1, równanie C) albo do HCN i wody (Rysunek 1, równanie D). Tworzenie HCN jest zwykle korzystne w obecności odpowiednich katalizatorów, np. w przypadku tlenków glinu wydajność w temperaturach od 400°C do 600°C wynosi >90%, natomiast w przypadku braku katalizatorów przeważa reakcja tworzenia NH3 i CO . Wykrywa się również dalsze produkty rozkładu. Należą do nich polimerowe pochodne cyjanowodoru potencjalnie wytwarzające nukleobazy w warunkach hydrolitycznych. Ze względu na wysoką stałą dielektryczną formamid jest ponadto doskonałym rozpuszczalnikiem zarówno dla tlenków metali, jak i soli nieorganicznych, które mogą pełnić rolę katalizatorów podczas procesów kondensacji do nukleobaz.

W ten sposób skład mieszaniny reakcyjnej opartej na formamidzie jako głównym składniku jest dostrajany składem reaktora środowiskowego dostarczającego, w różnicy od HCN, wszystkich prekursorów prebiotycznych niezbędnych do syntezy zarówno nukleobaz purynowych, jak i pirymidynowych. Skład panelu dominujących produktów zależy od specyficznych właściwości fizycznych i chemicznych katalizatorów obecnych w środowisku reakcji, jak szczegółowo opisano poniżej.

Synteza prekursorów nukleinowych z formamidu

Zasad nukleinowych, jednego aminokwasu i czynnika kondensującego

Zasad nukleinowych

Zaobserwowaliśmy, że formamid ma unikalną właściwość kondensowania zarówno do nukleobaz purynowych, jak i pirymidynowych po prostu po podgrzaniu w temperaturze 110-160°C w obecności w dużym stopniu rozproszonych tlenków metali i minerałów . Otrzymane produkty są wymienione w Tabeli 1, skrzyżowane z badanymi katalizatorami i pogrupowane w funkcji (w przybliżeniu) rosnącej złożoności. Puryna jest jedynym związkiem otrzymanym w wyniku ogrzewania formamidu przy braku katalizatorów. Najistotniejsze aspekty tego dużego zespołu produktów to:

– panel związków otrzymywanych w obecności każdego katalizatora jest „czysty”. Obserwuje się tylko kilka produktów, przy czym w niektórych przypadkach synteza jest bardzo specyficzna, jak w przypadku minerału fosforanowego piromorfitu dającego wyłącznie cytozynę lub w przypadku dzieciitu dającego prawie wyłącznie N-formyloglicynę. W innych przypadkach otrzymuje się bogatsze zespoły produktów, jak w przypadku pirofosforanu Na4P2O7 dającego (oprócz puryny) adeninę, hipoksantynę (bioizoster guaniny), uracyl, cytozynę, N-formyloglicynę i karbodiimid; i z TiO2 dając (oprócz puryn) adeninę, N9-formylopurynę, N9-N6-diformyladeninę, cytozynę, tyminę i 5-hydroksymetyluracyl.

– Co ciekawe, TiO2 katalizuje również syntezę acyklonukleozydów purynowych (nie podano w Tabeli 1, patrz ref 23). Obserwacja ta ma szczególne znaczenie prebiotyczne ze względu na znane trudności w budowaniu w warunkach prebiotycznych wiązań β-glikozydowych pomiędzy oddzielnie syntetyzowanymi nukleobazami i cukrami. Tak czy inaczej, nawet w przypadku mieszanin o stosunkowo większej złożoności, profile produktów zachowują charakter uporządkowany i zazwyczaj nie zawierają produktów degradacji ani dodatkowych klas związków.

Glicyna i karbodiimid

Pochodna α-aminokwasu N-formyloglicyna została wykryta w syntezach opartych na formamidach katalizowanych przez fosforany-minerały, często w towarzystwie karbodiimidu. Synteza karbodiimidu, który jest ważnym czynnikiem kondensacji aminokwasów w peptydy, może być odpowiedzialna za powstawanie formylglicyny z generowanej in situ glicyny , co sugeruje rolę układu formamidowo-fosforanowego w prebiotycznej syntezie peptydów.

Obserwuje się również pośrednictwo szlaków syntetycznych dla składników ekstensywnych kwasów nukleinowych, tj, 4-aminoimidazolo-5-karboksyamid (AICA), 4-formyloaminoimidazolo-5-karboksyamid (f-AICA) i 5-hydroksymetylouracyl.

Mechanizmy chemiczne, na których opierają się wszystkie te syntezy, zostały opisane i krytycznie omówione w .

Koncepcja chemomimesis jako selektor prekursorów prebiotycznych

Jak wspomniano powyżej, tożsamość pierwszych prekursorów prebiotycznych kwasów nukleinowych jest nadal przedmiotem dyskusji. Z drugiej strony, analiza mechanizmu reakcji prostych cząsteczek organicznych ujawnia przypadki, w których powstają kluczowe intermediaty odpowiadające tym obserwowanym w istniejących szlakach biologicznych. Do tej korespondencji odnosi się pojęcie chemomimesis. Termin ten, wprowadzony po raz pierwszy przez Eschenmosera i Loewenthala w 1992 roku, odnosi się ogólnie do szlaku reakcji chemicznej, który może być użyty jako szablon dla procesów enzymatycznych, które pojawią się później w ewolucji, dając te same produkty końcowe. Ta właściwość może w zasadzie rozróżnić dwie klasy prekursorów prebiotycznych: prekursory, które są w stanie wygenerować proces chemomimetyczny i te, które nie są w stanie tego zrobić. Chemia formamidów pokazuje interesujące przypadki chemomimetyzmu.

Jako przykład można podać 5-aminoimidazolo-4-karboksyamid (AICA) i 5-formamido-imidazolo-4-karboksyamid (f-AICA), otrzymywane z wysoką wydajnością jako dodatek do hipoksantyny po podgrzaniu formamidu w obecności montmorylonitów (Tabela 1), są również kluczowymi intermediatami (jako rybonukleotydy-5′-monofosforany) w ostatnich etapach trwającej biosyntezy inozyno-5′-monofosforanu (IMP), głównej drogi do nukleotydów purynowych w komórce (Rysunek 2).

Chemomimesis instancje w chemii formamidu. Zobacz tekst dla szczegółów.

Podobnie, dodanie formaldehydu do wstępnie uformowanego rusztowania uracylowego podczas syntezy tyminy z formamidu i TiO2 jest kluczowym krokiem dla wprowadzenia cząsteczki metylowej, zgodnie z istniejącą biosyntezą tymidyny. W reakcji tej do urydyny dodawana jest jednostka formaldehydowa, maskowana jako aktywowana jednostka metylenowa tetrahydrofolianu metylenu (MTHF), dając 5-hydroksymetylouracylo-5′-monofosforan (HMU-5′-monofosforan). Tymidyna będzie otrzymywana przez kolejne rearanżacje z przesunięciem wodorkowym.

Możliwość, że wczesne zdarzenia chemiczne odgrywały rolę szablonów dla rozwoju bardziej złożonych (ale także bardziej wydajnych i selektywnych) szlaków enzymatycznych jest fascynującą koncepcją, która powinna być dalej oceniana w badaniu molekularnej ewolucji polimerów informacyjnych.

Problemy w polimeryzacji prebiotycznej

Aktywowane prekursory

Ewolucja informacji genetycznej opartej na liniowych polimerach implikuje mechanizm replikacji pośredniczonej przez szablon. Replikacja szablonowa pozwala na zachowanie i sporadyczne modyfikowanie nagromadzonej informacji, ustanawiając w ten sposób chemicznie oparte reguły ewolucji. Opisano nieenzymatyczne systemy samoreplikujące oparte na syntezie oligonukleotydów kierowanej szablonem (m.in. w ), dostarczając dowodu na wiarygodność tego ogólnego mechanizmu. Pierwsze przedgenetyczne polimery niekoniecznie składały się z cząsteczek cukrowych, z których zbudowane są dzisiejsze kwasy nukleinowe, ani też nukleozydy nie były w sposób wymuszony połączone wiązaniami fosfoestrowymi, z jakimi mamy do czynienia obecnie. Wyczerpujące analizy możliwych alternatyw zostały przedstawione. Jednakże, wobec braku bezpośrednich dowodów lub solidnych przesłanek przeciwnych, można bezpiecznie założyć, że ewolucja genetyczna powstała w oparciu o polimery podobne do RNA, że wiązania rybozowe i fosfodiestrowe były rzeczywistymi składnikami, których właściwości umożliwiły i zapoczątkowały ewolucję, że konie molekularne nie zostały zmienione podczas biegu. Powody faworyzujące fosforan jako element łączący są dobrze ustalone .

Ogólny problem wynika z faktu, że tworzenie wiązania fosfodiestrowego jest termodynamicznie pod górę. Tak więc, kierowana szablonowo bezbiałkowa prebiotyczna synteza oligonukleotydów z wiązaniami fosfodiestrowymi najprawdopodobniej wymagała użycia chemicznie aktywowanych nukleotydów.

Formamidowa katalizowana fosforylacja nukleozydów

Prebiotyczna przydatność mechanizmów proponowanych do produkcji aktywowanych nukleozydów jest wątpliwa. Ważne skądinąd spostrzeżenie, że suszenie chemicznie aktywowanego nukleozydu 5′-fosforimidazolidu-adenozyny (ImpA) na powierzchni glinki Montmorillonite pozwala na wydłużenie wstępnie zaabsorbowanego dekanukleotydu aż o 30 dodatkowych nukleotydów, a podobne wyniki w porównywalnych systemach w , cierpią na to samo ograniczenie. Tak więc, wydajny i solidny mechanizm katalityczny dla aktywacji (być może fosforylacji) nukleozydów był prawdopodobnie zaangażowany. Zaobserwowaliśmy, że fosforylacja nukleozydów łatwo zachodzi w obecności formamidu i donora fosforanu. Donorem może być rozpuszczalny mono-, di- lub trifosforan; lub inny fosforylowany nukleozyd; lub jeden z kilku krystalicznych minerałów fosforanowych, wśród których znajdują się hydroksyapatyt, libetenit i pseudomalachit (dane nie są szczegółowe, złożone do publikacji w innym miejscu). Fosforylacja wystąpiła na 5′, lub 3′, lub 2′ atomach C cząsteczki rybozy, i 2′:Zaobserwowano również formy 3′ i 3′:5′ cyklicznych fosfoestrów. W oparciu o przełomową obserwację Orgela, że difosforany dinukleozydowe utworzone z cyklicznego fosforanu adenozyny 2′:3′, ten cykliczny układ rybonukleotydów fosforanowych ma być może szczególne znaczenie prebiotyczne.

Wodna kontra niewodna

Chemicznie stosunkowo łatwe tworzenie polimerów liniowych z aktywowanych prekursorów nie rozwiązuje problemu ich pochodzenia. Problem zmiany energii swobodnej Gibbsa w stanie standardowym (ΔG°’), krytycznie oceniony przez van Holde’a, oraz nieodłączna niestabilność polimerów w roztworze ograniczają tworzenie się i przetrwanie polimerów w środowisku wodnym. Problem ΔG°’ jest główną przeszkodą dla polimeryzacji w fazie ciekłej w warunkach prebiotycznych.

Fosforylacja nukleozydów na powierzchniach mineralnych wspomniana powyżej została uzyskana w obecności formamidu. Tak więc, aktywowane monomery nukleinowe mogą tworzyć się w ciekłym środowisku niewodnym w warunkach zgodnych z termodynamiką polimeryzacji, stanowiąc rozwiązanie operacyjne. Gdyby formamid dostarczał aktywowanych prekursorów poprzez fosforylację nukleozydów i pozwalał na ich polimeryzację w prostej reakcji trans-fosforylacji (proces wciąż hipotetyczny, ale chemicznie prawdopodobny), czynnikiem ograniczającym ewolucję cząsteczek pregenetycznych byłaby stabilność powstałych form polimerycznych. Innymi słowy, gdy rozważamy warunki, w których polimery pregenetyczne mogłyby spontanicznie polimeryzować, replikować się i ewoluować, parametry fizykochemiczne sprzyjające lub pozwalające na przetrwanie stanu polimerycznego mają pierwszorzędne znaczenie. Stąd zainteresowanie określeniem początkowych nisz termodynamicznych, w których stan polimeryczny mógł być preferowany w stosunku do monomerycznego.

Nisze te zostały zidentyfikowane zarówno dla systemów deoxyribo jak i ribo, pokazując, że określone kombinacje temperatury i rozpuszczalnika faworyzują stan polimeryczny. Nisze te są znacznie szersze dla RNA niż dla DNA (por. dane w versus ).

W ramach hipotezy „świata RNA”, odkrycie to pokazuje, że oprócz trzech ważnych właściwości RNA należy również rozważyć właściwość uprzywilejowanej trwałości. Na tę czwartą właściwość składa się zespół parametrów termodynamicznych i kinetycznych odnoszących się do procesu polimeryzacji i stabilności polimerów. Warunki sprzyjające trwałości oligomerów mogą potencjalnie dostarczyć informacji o środowisku, w którym powstały i przetrwały cząsteczki ur-genetyczne.

Stabilność jako krytyczny fenotyp dla ewolucji polimerów informacyjnych

Rekonstruując przejście od monomerów do znanych nam obecnie polimerów niosących informację i podsumowując dane przedstawione powyżej, zaobserwowaliśmy, że formamid 1) kondensuje we wszystkie zasady nukleinowe niezbędne do utworzenia dzisiejszych kwasów nukleinowych. Proces ten wymaga jedynie umiarkowanej temperatury (110-160°C) i łatwo dostępnych katalizatorów. 2) Powstaje kilka związków zawierających ukryte wiązanie β-glikozydowe, co potencjalnie rozwiązuje chemiczny rebus wynikający z braku reaktywności zasad nukleinowych z cukrami. 3) Zaobserwowano opartą na formamidzie fosforylację wstępnie uformowanych nukleozydów (dane opublikowane w innym miejscu), co stanowi prawdopodobne rozwiązanie problemu chemicznie odpornego mechanizmu potrzebnego do szybkiej, wysokowydajnej produkcji aktywowanych prekursorów. Można przypuszczać, że tworzenie polimerów odbywa się w procesie transfosforylacji sterowanym przez formamid i szablon. Odpowiednim szablonem może być powierzchnia mineralna lub polimery nukleinowe. Procesy te stanowią proste ramy chemiczne, w których zostały opisane wszystkie etapy od związku o jednym atomie węgla H2NCOH do aktywowanych nukleotydów. Wszystkie te reakcje wymagają formamidu jako materiału budulcowego i/lub jako katalizatora.

Jednakże organizmy żyjące obecnie żyją w wodzie, a nie w formamidzie. A struktura i właściwości kwasów nukleinowych silnie sugerują, że interakcja z wodą jest jedną z ich najbardziej intymnych właściwości. Na jakim etapie mogło nastąpić przejście ze środowiska formamidowego do wodnego?

W tym momencie jesteśmy na gruncie hipotetycznym. Zacznijmy od modelu, w którym synteza oligonukleotydu ribo zachodziła poprzez połączenie wcześniej zsyntetyzowanych nukleozydów ], ufosforylowanych katalizowaną formamidem fosforylacją i połączonych katalizowaną formamidem trans-fosforylacją (hipotetycznie). Mostki fosfodiestrowe między nukleozydami mogły powstać między monomerami związanymi jako pojedyncze jednostki na mineralnych powierzchniach fosforanowych, zapewniających zarówno źródło cząsteczek fosforanowych, jak i właściwe uporządkowanie przestrzenne. Odległość P-P w rozciągniętym kwasie nukleinowym wynosi dobrze ustalone 9,15 Å, co dobrze odpowiada wymiarom komórek krystalicznych minerałów fosforanowych, których wartości a i b w wielu różnych minerałach mieszczą się w przedziale od 6 do 10 Å (etap pierwszej generacji). Alternatywnie, lub na późniejszym etapie, mostki fosfodiestrowe tworzyłyby się pomiędzy aktywowanymi monomerami związanymi jako pojedyncze jednostki na szablonie kwasu nukleinowego (etap drugiej generacji). Oba etapy wymagają formamidu jako czynnika napędzającego tworzenie mostków fosforanowych.