Organische moleculen ontstaan spontaan in oeroceaan

Britse wetenschappers zijn een stapje dichter gekomen bij het oplossen van het raadsel van het ontstaan van het leven. Ze reconstrueerden de samenstelling van de oeroceaan van vier miljard jaar geleden en stelden vast dat er spontaan chemische reacties plaatsvonden die moderne cellen gebruiken om cruciale moleculen voor de stofwisseling te maken.

Zo'n vier miljard jaar geleden ontstond het leven op aarde in de ijzerrijke oceanen die de planeet domineerden. Voor geleerden is het open vraag wanneer en hoe het metabolisme van de cellen, hun stofwisseling, het netwerk van de chemische reacties die nodig zijn om de bouwstenen van het leven, nucleïnezuren, aminozuren en lipiden, te maken, op het toneel verschenen zijn.

Tot nu werd gedacht dat deze reacties in moderne cellen gebeurden door metabolische enzymen, zeer complexe moleculaire machines die in de loop van de evolutie ontstaan zijn.

Oeroceaan

Wetenschappers van de universiteit van Cambridge analyseerden sedimenten uit de vroege zeeën en kwamen tot de vaststelling dat oplosbare vormen van ijzer bij de meest voorkomende molecules waren in de oceanen voor er leven was. De wetenschappers reconstrueerden de primitieve zee en ze verwarmden dat mengsel tot hoge temperaturen, tussen 50 en 90 graden Celsius, een temperatuur waarop de conventionele proteïne-enzymen niet functioneren. Dat zijn wel de omstandigheden die men kan verwachten in de buurt van een hydrothermale bron of een onderwater vulkaan.

De chemische producten die gevormd werden, werden van elkaar gescheiden en geanalyseerd door middel van vloeistofchromatografie-massaspectografie.

IJzer als katalysator

Een aantal van de geobserveerde reacties zouden ook in water kunnen plaatsvinden, maar ze werden versneld door de aanwezigheid van metalen die werkten als katalysatoren.

"In de aanwezigheid van ijzer en andere verbindingen die in de oceanische sedimenten gevonden werden, werden 29 chemische reacties geobserveerd die geleken op die van de stofwisseling, waaronder reacties die een aantal van de chemische stoffen opleveren die essentieel zijn voor de stofwisseling, zoals bijvoorbeeld voorlopers van de bouwstenen van proteïnen of RNA", zei doctor Markus Ralser, groepsleider aan de afdeling biochemie aan de universiteit van Cambridge. "Deze resultaten tonen dat de basisbouwstenen van het moderne metabolisch netwerk kunnen ontstaan zijn vanuit de chemische en fysieke beperkingen die bestonden op aarde voor er leven was."

Metabolisme eerst

De chemische reacties die geobserveerd werden, vonden plaats in afwezigheid van enzymen, maar ze werden mogelijk gemaakt door de chemische moleculen in de oeroceaan. Het vinden van een reeks van reacties die lijken op de "kern van het metabolisme van de cel", laat veronderstellen dat het metabolisme voorafgaat aan het ontstaan van het leven. Dat betekent dat, alvast in het begin, het metabolisme niet gevormd is door de evolutie, maar door moleculen zoals RNA, die ontstaan zijn vanuit de chemische omstandigheden in de vroegste oceanen.

"Onze resultaten tonen aan dat de omstandigheden en de moleculen in de oude oceanen van de aarde de omzetting van stofwisselingsproducten hielpen en versnelden, stofwisselingsproducten die in moderne organismen zorgen voor de glycolyse en de pentosefosfaatcascade, twee van de essentiële en meest centrale reactiecascades uit de stofwisseling", zei Rasler.

"In onze gereconstrueerde versie van de oeroceaan waren deze metabolische reacties zeer gevoelig aan de aanwezigheid van ijzer dat hielp als katalysator bij vele van de chemische reacties die we geobserveerd hebben."

Het ontdekken van een van de stofwisselingsproducten, ribose 5-fosfaat, bij de producten die gevormd werden, is van bijzonder belang. De beschikbaarheid ervan betekent dat de voorlopers van RNA in theorie tot het ontstaan kunnen leiden van RNA-moleculen, die informatie coderen, als katalysator werken bij chemische reacties en in staat zijn tot replicatie. Of en hoe de eerste enzymen de reacties met metaal als katalysator die de onderzoekers beschrijven, overgenomen hebben, moet nog worden uitgemaakt.

De resultaten van de studie zijn gepubliceerd in Molecular Systems Biology en ze worden beschreven op de website van de European Molecular Biology Organization.