السؤال عن كيفية ظهور الحياة على الأرض لأول مرة هو السؤال الذي كان البشر يسألونه لأنفسهم منذ الأزل. في حين أن العلماء واثقون نسبيًا من وقت حدوثه ، لم تكن هناك إجابة محددة لسبب حدوثه. كيف اجتمعت الأحماض الأمينية ، وهي لبنات الحياة الكيميائية ، منذ ما يقرب من أربعة مليارات سنة لإنشاء جزيئات البروتين الأولى؟
في حين أن هذا السؤال لا يزال دون إجابة ، يقوم العلماء باكتشافات جديدة يمكن أن تساعد في تضييقه. على سبيل المثال ، أجرى فريق من الباحثين من مركز التطور الكيميائي التابع لمعهد جورجيا للتكنولوجيا (CCT) مؤخرًا دراسة أظهرت كيف أن بعض أقدم جزيء البروتين قد يكون مرتبطًا تلقائيًا لتشكيل سلسلة.
ظهرت الدراسة مؤخرا في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. قاد الدراسة الدكتور Moran Frenkel-Pinter من Georgia Tech وتضمنت العديد من الباحثين من CCT - الذي تدعمه وكالة ناسا ومؤسسة العلوم الوطنية (NSF) - بمساعدة من الدكتور Luke Leman ، وأستاذ مساعد الكيمياء في سكريبس للأبحاث ، معهد أبحاث طبية غير ربحي.
لعقود من الزمان ، كان لدى العلماء نظريات حول كيفية تجمع الأحماض الأمينية الأولى لتكوين جزيئات البروتين. لسوء الحظ ، فشلت كل محاولات التحقق من هذه النظريات حتى الآن. كما أوضح د. ليمان:
“كيف أدت الكيمياء إلى الحياة المعقدة هي واحدة من أكثر الأسئلة الرائعة التي فكرت فيها البشرية. هناك الكثير من النظريات حول أصول البروتينات ولكن ليس هناك الكثير من الدعم المختبري التجريبي لهذه الأفكار ".
من أجل دراستهم ، أجرى فريق البحث تجربة حيث تم وضع مجموعة صغيرة من الأحماض الأمينية (ليسين ، أرجينين ، هيستيدين) مع ثلاثة أحماض أمينية منافسة غير بيولوجية. ثم تعرضت الأحماض لظروف مشابهة لما يُعتقد أنه كان موجودًا على الأرض خلال هاديون إيون (حوالي 4 مليار سنة).
يتألف هذا من وضع الأحماض الأمينية المختارة في الماء الذي يحتوي على أحماض هيدروكسي ، والمعروفة بتسهيل تفاعلات الأحماض الأمينية والتي كانت شائعة على الأرض ما قبل البكتيريا. يسخن الخليط بعد ذلك إلى 85 °ج (185) °و) ، مما أدى إلى تسريع عملية التفاعل وتسبب في تبخر الماء. ثم تمت دراسة التفاعلات الكيميائية الناتجة.
ولدهشتهم ، تشكلت الأحماض الأمينية البيولوجية بشكل عفوي إلى أجزاء أنيقة ترتبط ببعضها البعض عبر مجموعات أمين. هذه المجموعات هي تلك التي تتكون من النيتروجين والهيدروجين وتكون تفاعلية تمامًا. ومع ذلك ، فهي أيضًا جزء من قلب الأحماض الأمينية والأمينات الأخرى التي تشكل sidechains التي تمتد من القلب (التي تم استخدامها في هذه التجربة) غالبًا ما تكون أكثر تفاعلية. قال فرنكل-بينتر:
"لقد فاجأنا أن هذه الكيمياء فضلت الارتباط؟ -am الموجود في البروتينات ، على الرغم من أن المبادئ الكيميائية قد دفعتنا إلى الاعتقاد بأن الاتصال غير البروتيني سيكون مفضلاً. كان تفضيل الربط الشبيه بالبروتين على غير البروتين حوالي سبعة إلى واحد ".
المفاجأة الأخرى كانت حقيقة أن الأحماض الأمينية البيولوجية تغلبت على الأحماض غير البيولوجية من حيث التفاعل. الأحماض الأخيرة ، التي لا توجد في البروتينات اليوم ، لديها القدرة على التفاعل كيميائيًا تمامًا (أو أفضل من) الأحماض البيولوجية. ما هو أكثر من ذلك ، توقع الفريق أن إدراج هذه الأحماض سيعطي الأحماض البيولوجية فرصة لأموالهم وقد يؤدي حتى إلى
ومع ذلك ، أدت التفاعلات في الغالب إلى تكوين الببتيدات (اثنين أو أكثر من كتل بناء الأحماض الأمينية المرتبطة ببعضها البعض) التي كانت أقرب إلى البروتينات الحالية اليوم. على وجه الخصوص ، اعتقد الباحثون أن الأحماض الأمينية غير البيولوجية ستتفوق على الأحماض الأمينية البيولوجية المعروفة باسم اللايسين وأن ليسين لن يكون قادرًا على تكوين سلاسل بشكل موثوق.
في كلتا الحالتين ، كانوا مخطئين ووجدوا بدلاً من ذلك أن اللايسين دخل في الغالب في السلاسل بطريقة مشابهة لما يحدث مع البروتينات اليوم. من هذا ، افترض الفريق أن سلاسل الأحماض الأمينية سابقة التصنيع المفيدة في الأنظمة الحية تطورت قبل أن تجد الحياة طريقة لصنع البروتينات.
حقيقة أن تجربتهم أظهرت أن الأحماض الأمينية البيولوجية مفضلة على الأحماض غير البيولوجية قد تقدم أيضًا رؤية جديدة حول سبب دخول 20 حمضًا أمينيًا فقط في تكوين الحياة. يعتقد العلماء أن هناك أكثر من 500 حمض طبيعي موجود على الأرض خلال Hadean Eon. كما أوضحت لورين ويليامز ، أستاذ الكيمياء الحيوية بجورجيا تك
"فكرتنا هي أن الحياة بدأت بالعديد من لبنات البناء التي كانت موجودة واختارت مجموعة فرعية منها ، لكننا لا نعرف كم تم اختياره على أساس الكيمياء البحتة أو مقدار العمليات البيولوجية التي تم اختيارها. بالنظر إلى هذه الدراسة ، يبدو أن علم الأحياء اليوم قد يعكس هذه التفاعلات الكيميائية البريبايوتكية المبكرة أكثر مما كنا نعتقد ".
"في الأرض ما قبل الكائنات الحية ، كان هناك مجموعة أكبر بكثير من الأحماض الأمينية. هل هناك شيء خاص حول هذه الأحماض الأمينية العشرين ، أو هل تم تجميدها في لحظة من الزمن بالتطور؟ " باختصار ، تشير التجربة إلى أن أنواع الأحماض الأمينية المستخدمة في البروتينات من المرجح أن ترتبط ببعضها البعض لأنها تتفاعل معًا بشكل أكثر كفاءة ولديها عدد قليل من التفاعلات الجانبية غير الفعالة.
باختصار ، تشير التجربة إلى أن أنواع الأحماض الأمينية المستخدمة في البروتينات من المرجح أن ترتبط ببعضها البعض لأنها تتفاعل معًا بشكل أكثر كفاءة ولديها عدد قليل من التفاعلات الجانبية غير الفعالة. كما أنه يضفي مصداقية إضافية على النظرية القائلة بأن معظم البوليمرات البيولوجية التي تشكلت في الدورات الرطبة والجافة ، وهو أمر يملكه باحثو CCT
تتعارض هذه النظرية ، التي تنص على أن البروتينات الأولى التي حدثت على المسطحات الترابية التي اجتاحتها الأمطار أو الصخور الشاطئية الشاطئية ، تتعارض مع السرد الأكثر تقليدية الذي يعتمد عليه لبنات الحياة في الأحداث النادرة والكارثية ، بالإضافة إلى مكونات متعددة في لكي تظهر. من خلال إظهار أنه من المرجح أن تكون عملية أكثر وضوحًا بكثير ، يمكن لهذا البحث أن يقربنا خطوة واحدة نحو فتح هذا اللغز القديم.
وقد يكون لها أيضًا آثار في البحث عن حياة خارج الأرض. إذا كانت لبنات الحياة تفاعلية بشكل طبيعي وجذابة لبعضها البعض ، فمن المحتمل أن يزيد من احتمالات حدوث تفاعلات كيميائية مماثلة في مكان آخر من الكون!
