Este formamida un precursor prebiotic plauzibil?

Natura substanțelor chimice care au jucat rolul de precursori prebiotici pe Pământul primitiv este încă un argument dezbătut. Într-o abordare generală a problemei, ar trebui să se țină seama de următoarele proprietăți fizice și chimice ale compușilor organici simpli luați în considerare. Și anume: (i) abundența relativă a materialelor biogene de plecare, care să fie considerată o condiție prealabilă pentru declanșarea timpurie a proceselor genetice pe această planetă; (ii) stabilitatea lor; (iii) capacitatea lor de a reacționa pentru a da structuri mai complexe, urmând căi reproductibile. Formarea precursorilor pe baza unor procese chimice simple și prezența cvasi-simultană a tuturor elementelor constitutive ce urmează a fi utilizate pentru asamblarea moleculelor informaționale sunt alte cerințe importante.

(i) Disponibilitate

Formamida (H2NCOH) îndeplinește criteriile necesare de abundență și difuzie în Univers. Analiza compoziției moleculare a cometelor-asteroizi și a norilor interstelari arată că compușii realizați din cele 4 elemente cele mai comune și mai relevante din punct de vedere biologic: H, O, C și N (cu excepția He) sunt izocianatul HNCO și formamida H2NCOH . Formamida a fost detectată în faza gazoasă a mediului interstelar , în cometa cu perioadă lungă Hale-Bopp și, în mod provizoriu, în faza solidă a granulelor din jurul tânărului obiect stelar W33A . A fost observată o posibilă producție de formamidă în condiții asemănătoare cu cele din Europa (Hand, K.; Carlson, R. W., Department of Geological & Environmental Sciences, Stanford University; comunicare personală, iulie 2006).

(ii) Stabilitate

Formamida îndeplinește criteriile necesare de stabilitate. Acest subiect trebuie luat în considerare în legătură cu chimia cianurii de hidrogen (HCN). De la experimentul crucial al lui Orò privind sinteza adeninei din HCN, numeroase studii au fost consacrate evaluării rolului acestui compus în originea acizilor nucleici primordiali . Cu toate acestea, două probleme rămân nerezolvate în ceea ce privește relevanța prebiotică a chimiei HCN: (i) instabilitatea termodinamică a HCN în condiții hidrolitice, (ii) panoul restrâns de nucleobaze, limitat doar la purine care pot fi formate prin procesul său de condensare. Din perspectiva acestei din urmă observații, a fost propus un precursor al acizilor nucleici complet purinic, în care pirimidinele prezente în acizii nucleici existenți ar fi înlocuitori post-enzimatici ai purinelor izoelectronice și izogeometrice ale acestora . HCN este un gaz într-o gamă largă de condiții de mediu. Astfel, chimia HCN în soluție omogenă (scenariul chimic prebiotic acceptat în mare măsură pe Pământul primitiv) necesită în primul rând absorbția în apă. După procesul de adsorbție concură polimerizarea și hidroliza HCN-ului, rezultatele fiind determinate de concentrația acestuia. Cele două reacții sunt echivalente la concentrații de HCN cuprinse între 0,01 și 0,1 M (între pH 8 și 9). Hidroliza în formamidă (figura 1, ecuația A) predomină în soluțiile diluate, în timp ce polimerizarea predomină la concentrații mai mari . Concentrația staționară de HCN în oceanul primitiv a fost calculată, pe baza ratelor estimate de producere și hidroliză, ca fiind, la pH7, de 4 × 10-12 M la 100°C și de 2 × 10-5 M la O°C. Aceste concentrații sunt mult prea scăzute pentru ca polimerizarea în nucleoaze să aibă loc, favorizând astfel hidroliza în formamidă .

Din moment ce HCN este mai volatil decât apa, el nu poate fi concentrat prin evaporare simplă la un pH mai mic decât pKa-ul său (9,2 la 25°C). Acest lucru a sugerat înghețarea eutectică ca mijloc pentru ca HCN să atingă concentrația suficientă pentru polimerizare .

În același studiu, rata de hidroliză (și concentrația în stare de echilibru) a formamidei în formiat de amoniu (figura 1, ecuația B) a fost, de asemenea, estimată ca fiind de 2 × 10-18, 1 × 10-15 și 1 × 10-9 M, la 200, 100 și, respectiv, 0°C, presupunând că în oceanul primitiv formamida s-a format numai prin hidroliza HCN.

Pe baza acestor date, autorii sugerează că „este puțin probabil ca formamida să fi servit un rol semnificativ în chimia prebiotică”, o sentință destul de definitivă pentru acest compus!

Cu toate acestea, această presupunere nu ia în considerare faptul că (i) formamida poate fi formată din compuși prebiotici larg difuzați pe Pământul primitiv, alții decât HCN, și (ii) că formamida este lichidă într-o gamă largă de valori de temperatură și presiune, cu un punct de fierbere de 210°C și efecte azeotropice foarte limitate . Astfel, spre deosebire de HCN, formamida într-un model de lagună de uscare poate fi concentrată cu ușurință, ceea ce îi sporește stabilitatea la concentrare și asigură concentrația adecvată pentru ca polimerizarea la nucleobaze să aibă loc. Hidroliza formamidei în apă a fost revizuită prin studierea efectului izotopic cinetic al deuteriului din solvent. Această analiză a furnizat o valoare a constantei khyd de 1,1 × 10-10 s-1, ceea ce corespunde unui t1/2 de aproximativ 200 de ani la 25°C și pH 7,0 .

(iii) Reactivitate

Ca compus organic capabil să genereze „in situ” multe alte substanțe chimice simple utile pentru sinteza de baze nucleice, formamida poate fi considerată un precursor prebiotic multifuncțional. Raportul dintre precursorii obținuți depinde de condițiile specifice de mediu.

La 190-210°C sub presiune atmosferică, formamida se descompune termic fie în amoniac (NH3) și monoxid de carbon (CO) (figura 1, ecuația C), fie în HCN și apă (figura 1, ecuația D). Formarea de HCN este de obicei favorizată în prezența unor catalizatori adecvați, de exemplu, cu oxizi de aluminiu, randamentul la temperaturi cuprinse între 400°C și 600°C este >90%, în timp ce în absența catalizatorilor predomină reacția care formează NH3 și CO . Se detectează și alți produși de descompunere. Aceștia includ derivați polimerici de cianură de hidrogen care pot produce nucleobaze în condiții hidrolitice. Datorită constantei sale dielectrice ridicate, formamida este, în plus, un solvent excelent atât pentru oxizi metalici, cât și pentru săruri anorganice, care pot acționa ca și catalizatori în timpul proceselor de condensare la nucleobaze.

Astfel, compoziția unui amestec de reacție pe bază de formamidă ca și component principal este reglată de compoziția reactorului ambiental care furnizează, la diferență de HCN, toți precursorii prebiotici necesari pentru sinteza nucleobazelor atât purinice, cât și pirimidinice. Compoziția panoului de produse predominante depinde de proprietățile fizice și chimice specifice ale catalizatorilor prezenți în mediul de reacție, după cum se detaliază mai jos.

Sinteza precursorilor nucleici din formamidă

Baze nucleice, un aminoacid și un agent de condensare

Baze nucleice

Am observat că formamida are proprietatea unică de a se condensa atât în baze nucleice purinice cât și în baze nucleice pirimidinice prin simpla încălzire la 110-160°C în prezența unor oxizi metalici și minerale în mare parte difuze . Produsele obținute sunt enumerate în tabelul 1, încrucișate cu catalizatorii testați și grupate în funcție de complexitatea crescătoare (aproximativă). Purina este singurul compus obținut prin încălzirea formamidei în absența catalizatorilor. Cele mai relevante aspecte ale acestui mare ansamblu de produși sunt:

– panoul de compuși obținuți în prezența fiecărui catalizator este „curat”. Se observă doar câțiva produși, în anumite cazuri sinteza fiind foarte specifică, ca în cazul mineralului fosfat piromorfit care produce exclusiv citosină sau în cazul childrenitului care produce aproape numai N-formilglicină. În alte cazuri, se obține o gamă mai bogată de produse, ca în cazul pirofosfatului Na4P2O7, care produce (pe lângă purină) adenină, hipoxantină (un bioizoster al guaninei), uracil, citosină, N-formilglicină și carbodiimidă; și cu TiO2, care produce (în afară de purină) adenină, N9-formilpurină, N9-N6-diformiladenină, citozină, timină și 5-hidroximetiluracil.

– Destul de interesant este faptul că TiO2 catalizează, de asemenea, sinteza de aciclonucleozide purinice (nu sunt raportate în tabelul 1, a se vedea Ref 23). Această observație are o relevanță prebiotică deosebită din cauza dificultății cunoscute de construire în condiții prebiotice a legăturii β-glicozidice între nucleobaze și zaharuri sintetizate separat . Oricum, chiar și în cazul amestecurilor de complexitate relativ mai mare, profilurile produselor își păstrează caracterul de curățenie și nu conțin de obicei produse de degradare și nici clase suplimentare de compuși.

Glicina și carbodiimida

Derivatul α-aminoacidului N-formilglicina a fost detectat în sintezele pe bază de formamidă catalizate de fosfați-minerali, adesea însoțit de carbodiimidă . Sinteza carbodiimidei, care este un agent important pentru condensarea aminoacizilor în peptide, ar putea fi responsabilă pentru formarea formilglicinei din glicina generată in situ , sugerând un rol pentru sistemul formamidă-fosfat în sinteza prebiotică a peptidelor.

Se observă, de asemenea, intermediari ai căilor de sinteză pentru componentele acizilor nucleici existenți, și anume:, 4-aminoimidazol-5-carboxamida (AICA), 4-formilaminoimidazol-5-carboxamida (f-AICA) și 5-hidroximetiluracil.

Mecanismele chimice pe care se bazează toate aceste sinteze sunt descrise și discutate critic în .

Conceptul de chemomimesis ca selector de precursori prebiotici

Cum s-a menționat mai sus, identitatea primilor precursori prebiotici ai acizilor nucleici este încă un argument de dezbatere. Pe de altă parte, analiza mecanismului de reacție al moleculelor organice simple relevă cazuri în care sunt produși și intermediari cheie care corespund celor observați în căile biologice existente. Conceptul de chemomimesis se aplică acestor corespondențe. Acest termen, introdus pentru prima dată de Eschenmoser și Loewenthal în 1992 , se referă, în general, la o cale de reacție chimică care poate fi utilizată ca șablon pentru procesele enzimatice care vor apărea mai târziu în evoluție, producând aceiași produse finale. Această proprietate poate, în principiu, să distingă două clase de precursori prebiotici: precursorii care sunt capabili să genereze un proces chemomimetic de cei care nu sunt capabili. Chimia formamidelor prezintă cazuri interesante de chemomimeză.

Ca exemplu, 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICA) și 5-formamido-imidazol-4-carboxamida (f-AICA), obținute cu randament ridicat în plus față de hipoxantină la încălzirea formamidei în prezența montmorilonitelor (tabelul 1), sunt, de asemenea, intermediari-cheie (ca ribonucleotide-5′-monofosfați) în ultimele etape ale biosintezei existente a inozinei-5′-monofosfatului (IMP), principala cale de obținere a nucleotidelor purinice în celulă (figura 2).

În mod similar, adăugarea de formaldehidă la o schemă de uracil preformată în timpul sintezei timinei din formamidă și TiO2 este o etapă cheie pentru introducerea fracțiunii metil, în acord cu biosinteza existentă a timidinei. În această reacție, o unitate de formaldehidă este adăugată la uridină, mascată ca unitate de metilen activată de metilen tetrahidrofolat (MTHF) pentru a da 5-hidroximetiluracil-5′-monofosfat (HMU-5′-monofosfat). Timidina va fi obținută prin rearanjări succesive cu deplasare de hidrură.

Posibilitatea ca evenimentele chimice timpurii să fi jucat rolul de șabloane pentru dezvoltarea unor căi enzimatice mai complexe (dar și mai eficiente și mai selective) este un concept fascinant care trebuie evaluat în continuare în studiul evoluției moleculare a polimerilor informaționali.

Probleme în polimerizarea prebiotică

Principi activi

Evoluția informației genetice bazată pe polimeri liniari implică un mecanism de replicare mediat de șabloane. Reproducerea prin șablon permite ca informația acumulată să fie menținută și ocazional modificată, stabilind astfel reguli de evoluție pe bază chimică. Au fost raportate sisteme neenzimatice de autoreplicare bazate pe sinteza dirijată de șablon a oligonucleotidelor (printre care cele raportate în , revizuite în ), oferind dovada de principiu a plauzibilității acestui mecanism general. Primii polimeri pre-genetici nu erau neapărat făcuți din fracțiunile de zahăr care compun acizii nucleici actuali și nici nucleozidele nu erau conectate în mod forțat prin legăturile fosfoesterice pe care le cunoaștem astăzi. Au fost raportate analize cuprinzătoare ale alternativelor posibile. Cu toate acestea, în absența dovezilor directe sau a unor indicii solide care să arate contrariul, se presupune în mod sigur că evoluția genetică și-a avut originea pe baza unor polimeri asemănători ARN-ului, că legăturile riboză și fosfodiester au fost componentele reale ale căror proprietăți au permis și au dat startul evoluției, că caii moleculari nu au fost schimbați în timpul alergării. Motivele care favorizează fosfatul ca element de legătură sunt bine stabilite .

O problemă generală derivă din faptul că formarea unei legături fosfodiester este termodinamic ascendentă. Astfel, sinteza prebiotică fără proteine, dirijată de șablon, a oligonucleotidelor legate de fosfodiester a necesitat, cel mai probabil, utilizarea nucleotidelor activate chimic.

Fosforilarea nucleozidelor catalizată de fosfamidă

Relevanța prebiotică a mecanismelor propuse pentru producerea de nucleotide activate este discutabilă . Observația, de altfel importantă, că uscarea nucleozidei activate chimic 5′-fosforimidazolide-adenozină (ImpA) pe suprafața unei argile de Montmorillonit o decanucleotidă preabsorbită ar putea fi alungită cu până la 30 de nucleotide suplimentare și rezultate similare în sisteme comparabile în , suferă de aceeași limitare. Astfel, a fost probabil implicat un mecanism catalitic eficient și robust pentru activarea (posibil fosforilarea) nucleozidelor. Am observat că fosforilarea nucleozidelor are loc cu ușurință în prezența formamidei și a unui donator de fosfat. Donatorul ar putea fi un mono-, di- sau trifosfat solubil; sau o altă nucleozidă fosforilată; sau unul dintre cele câteva minerale fosfatice cristaline, printre care hidroxilapatita, libethenita și pseudomalachita (date nedetaliate, prezentate pentru publicare în altă parte). Fosforilarea a avut loc pe atomii de C 5′, sau 3′, sau 2′ ai fracțiunii riboză și 2′:S-au observat, de asemenea, forme de fosfoester ciclic 3′ și 3′:5′. Pe baza observației revoluționare a lui Orgel că dinucleozidele difosfați formate din fosfatul ciclic de adenozină 2′:3′, acest sistem de ribonucleotide cu fosfat ciclic ar putea avea o relevanță prebiotică deosebită.

Acuos versus neacvatic

Formarea relativ ușoară din punct de vedere chimic a polimerilor liniari din precursori activi nu rezolvă problema originii lor. Problema schimbării energiei libere Gibbs în stare standard (ΔG°’), așa cum a fost evaluată critic de van Holde , și instabilitatea intrinsecă a polimerilor în soluție limitează formarea și supraviețuirea polimerilor în medii apoase. Problema ΔG°’ este principalul obstacol pentru polimerizările în fază lichidă în condiții prebiotice.

Fosforilarea nucleozidelor pe suprafețele minerale menționate mai sus a fost obținută în prezența formamidei. Astfel, monomerii nucleici activați se pot forma în mediu lichid neacvatic în condiții compatibile cu termodinamica polimerizării, oferind o soluție operațională. Dacă formamida ar oferi precursori activați prin fosforilarea nucleozidelor și ar permite polimerizarea acestora printr-o simplă reacție de trans-fosforilare (un proces încă ipotetic, dar plauzibil din punct de vedere chimic), factorul limitativ pentru evoluția moleculelor pregenice ar deveni stabilitatea formelor polimerizate rezultate. Cu alte cuvinte, atunci când se iau în considerare condițiile în care polimerii pre-genetici s-ar putea polimeriza, replica și evolua în mod spontan, parametrii fizico-chimici care favorizează sau permit supraviețuirea stării foarte polimerice sunt de o relevanță capitală. De aici interesul de a defini nișele termodinamice inițiale în care starea polimerică ar fi putut fi favorizată în detrimentul celei monomerice.

Aceste nișe au fost identificate atât pentru sistemul deoxiribo cât și pentru cel ribo, arătând că anumite combinații definite de temperatură și solvent favorizează starea polimerică. Aceste nișe sunt remarcabil mai largi pentru ARN decât pentru ADN (cf. datele din versus ).

În cadrul ipotezei „lumii ARN”, această constatare arată că, pe lângă cele trei proprietăți importante ale ARN, ar trebui luată în considerare și proprietatea de persistență favorizată. Această a patra proprietate constă în ansamblul parametrilor termodinamici și cinetici care țin de procesul de polimerizare și de stabilitatea polimerilor. Condițiile care favorizează persistența oligomerică ar putea oferi potențial informații despre mediul în care moleculele ur-genetice au luat naștere și au supraviețuit.

Stabilitatea ca fenotip critic pentru evoluția polimerilor informaționali

În reconstituirea trecerii de la monomeri la polimerii purtători de informație pe care îi cunoaștem în prezent, și rezumând datele raportate mai sus, am observat că formamida 1) se condensează în toate bazele nucleice necesare pentru a forma acizii nucleici actuali. Acest proces necesită doar o temperatură moderată (110-160°C) și catalizatori ușor de obținut. 2) se formează mai mulți compuși care înglobează o legătură β-glicozidică ascunsă, ceea ce ar putea rezolva rebusul chimic pus de nereactivitatea bazelor nucleice cu zaharurile. 3) A fost observată fosforilarea pe bază de formamidă a nucleozidelor preformate (date prezentate în altă parte), oferind o soluție plauzibilă la problema mecanismului robust din punct de vedere chimic necesar pentru o producție nefastă și cu randament ridicat de precursori activați. Formarea polimerilor ar putea fi presupusă printr-un proces de trans-fosforilare dirijată de șablon prin formamidă. Șablonul adecvat ar putea fi furnizat de o suprafață minerală sau de polimeri nucleici. Aceste procese oferă un cadru de chimie simplă în care au fost descrise toate etapele de la compusul cu un atom de carbon H2NCOH până la nucleotidele activate. Toate aceste reacții necesită formamidă ca material de construcție și/sau ca catalizator.

Cu toate acestea, organismele existente trăiesc în apă, nu în formamidă. Iar structura și proprietățile acizilor nucleici sugerează cu tărie că interacțiunea cu apa este una dintre cele mai intime proprietăți ale acestora. În ce etapă ar fi putut avea loc trecerea de la un mediu de formamidă la apă?

În acest punct ne aflăm pe baze ipotetice. Să pornim de la un model în care sinteza unei oligonucleotide ribo a avut loc prin conectarea nucleozidelor pre-sintetizate ], fosforilate prin fosforilare catalizată de formamidă și unite prin trans-fosforilare catalizată de formamidă (ipotetic). Punțile fosfodiesterice între nucleozide ar fi putut apărea între monomeri legați ca unități unice pe suprafețe minerale fosfatice, oferind atât o sursă pentru fracțiunile de fosfat, cât și o ordonare spațială corectă. Distanța P-P într-un acid nucleic întins este bine stabilită la 9,15 Å, în bună corespondență cu dimensiunile celulelor cristaline ale mineralelor fosfatice ale căror valori a și b într-un număr mare de minerale diferite sunt cuprinse între 6 și 10 Å (etapa primei generații). Alternativ, sau într-o etapă ulterioară, s-ar fi format punți de fosfodiester între monomerii activați legați ca unități unice pe șablonul de acid nucleic (etapa de a doua generație). Ambele etape necesită formamidă ca substanță chimică de conducere pentru formarea punților fosfat.

.