Biomoleculen op de rand van waterdruppels

De zoektocht naar buitenaards leven komt op kruissnelheid, vooral met de inzet van de James Webb Space Telescope (JWST). Hierbij gaat men ervan uit – naar analogie met het bruisende leven hier op Aarde - dat de opsporing van water een belangrijke parameter is om deze odyssee te sturen.

Al tientallen jaren nemen wetenschappers aan dat het leven op Aarde is begonnen in de oceanen. Maar hoe de chemie van dit proces precies in elkaar steekt, dat blijft tot nu een raadsel.

 

Eerst nog een streepje chemie

In water komen aminozuren voor. Die zijn hier door meteorieten op de vroege Aarde à volonté terecht gekomen.

Aminozuren kunnen peptiden vormen. En een peptide is een keten van aminozuren. En deze keten van aminozuren zijn de bouwstenen van leven zoals we het hier kennen.

Als voorbeeld schetsen we de vorming van een peptidebinding tussen twee alaninemoleculen:

We stellen ook vast dat de vorming van een dipeptide uit twee afzonderlijke aminozuren gepaard gaat met het verlies van een watermolecule, dit heet een condensatiereactie.

In de natuur zijn alle aminozuren van een proteïne of eiwit middels peptidebindingen aan elkaar gekoppeld. De basisstructuur van een proteïne wordt dan als volgt voorgesteld (waarbij az = aminozuur):

De Purdue-universiteit

De hoofdcampus van de Purdue-universiteit staat in West Lafayette in de Amerikaanse staat Indiana. Deze gerenommeerde instelling heeft tal van succesvolle oud-studenten afgeleverd, zoals Neil Armstrong, de eerste mens die op de Maan rondliep. Of een aantal winnaars van Nobelprijzen voor scheikunde en natuurkunde. Referenties dus om u tegen te zeggen!

Een stimulerende omgeving die nieuwsgierigheid aanwakkert en onderzoek mogelijk maakt en aanmoedigt is een kweekbodem voor succesvolle inzichten. En daarvan zijn Graham Cooks en zijn team treffende voorbeelden. Al tientallen jaren bestuderen zij de chemie van waterdruppels die, onder andere, inzichten hebben opgeleverd met betrekking tot de vroege scheikunde op Aarde.

 

 

Graham Cooks - Copyright afbeelding: Purdue University

 

Een raadsel

We weten dat peptidebindingen ontstaan door reactie van aminozuren mits consumptie van watermoleculen. Maar daarvoor is energie nodig, die normaliter wordt geleverd door enzymen. En enzymen zijn producten van levende organismen, en die bestonden uiteraard nog niet toen het eerste leven op Aarde is ontstaan. Oei, wat nu?

Bovendien is het verbruik van een watermolecule in een natte omgeving erg onwaarschijnlijk. Niettemin zijn de omstandigheden die de abiotische aanmaak van peptiden in een waterige omgeving mogelijk maken een voorwaarde voor de vorming van levensvatbare moleculen. Maar wat zijn die omstandigheden en waar komen die voor?

Tja, dit wordt een enigma à la Agatha Christie. De grijze cellen van Hercule Poirot inschakelen, misschien?

 

Een tipje van de sluier opgelicht

Dankzij het onderzoek van Graham Cooks en zijn team is er licht gekomen in deze duisternis.

Amidebinding, de essentiële condensatiereactie die ten grondslag ligt aan peptidensynthese, wordt in waterig milieu belemmerd door thermodynamische beperkingen die samenhangen met dehydratie. Dit betekent een fundamenteel probleem voor de wijdverbreide hypothese dat de chemie in prebiotische tijden en die geleid heeft tot biomoleculen, heeft plaatsgevonden in de oceanen.

Chemici hebben recent bewijs geleverd dat reactiesnelheden tussen moleculen spectaculair versnellen bij druppelinterfaces. Dat bracht Graham Cooks en medewerkers ertoe de chemie van waterige aminozuurdruppels onder de loep te nemen.

Zo stelden zij vast dat dipeptide-isomeerionen zich hadden gevormd op het grensvlak van de minuscule druppeltjes tussen lucht en water. Dit lukte met vrij glycine of L-alanine als reagentia. Het reactieproduct dat zo ontstaat - een dipeptide-isomeerion - blijkt een oxazolidinon te zijn. Dit is een verzamelnaam van structureel gelijkaardige moleculen doch met een waaier aan verschillende mogelijke substitutiegroepen. Een eenvoudig voorbeeld is hieronder weergegeven. Al dit fraais werd uitgevlooid middels de inzet van massaspectrografie.

Een molecule oxazolidinon kan vrij complex gestructureerd zijn. De structuur bevestigt echter andere waarnemingen met betrekking tot chemische reactieprocessen op dit vlak. Het verklaart ook de resultaten van de fusie-experimenten met druppels, waaruit blijkt dat het dipeptide-isomeer extra amidebindingen mogelijk maakt. Zo kunnen tri- tot hexapeptiden ontstaan. De onderzoekers zijn van mening dat de ‘interface’ van waterige microdruppels zouden kunnen dienst doen als een ‘droogoppervlak’, wat betekent dat het evenwicht tussen vrije aminozuren verschuift ten gunste van uitdroging (het afstoten van water bij de reactie) en aldus stabilisatie van de dipeptide-isomeren.

Deze bevindingen zouden een mogelijke verklaring aandragen voor de ‘waterparadox’ van deze aflopende chemische reactie in de prebiotische chemie.

 

Conclusie

Een unieke reactiviteit van vrije aminozuren op het grensvlak tussen lucht en water van waterdruppels op het formaat van microns leidt supersnel, op een tijdschaal van milliseconden, tot de vorming van peptide-isomeren. Daarenboven verloopt deze reactie onder omgevingsomstandigheden en zijn er geen extra reagentia nodig. Geen gedoe dus met pH, katalysatoren of straling. Net als veel plausibele prebiotische chemische systemen.

Deze resultaten illustreren het bijzondere karakter van snelle fysisch-chemische processen op de grens tussen nat en droog. En op microschaal. Maar dit ondersteunt juist de potentiële impact van systemen met een beperkt volume in abiogenese.

Alleszins een baanbrekende evolutie van kennis die perspectieven opent. Niet alleen bij het speuren naar aliens, maar ook bij het toedienen van medicijnen, bijvoorbeeld bij kankerpatiënten. Dit is wetenschap in volle ontwikkeling.

Nieuwsgierig blijven is de boodschap...

 

 

Tekst: Herman Schoups, december 2022

 

Inspiratiebronnen:

• Mysterie van het ontstaan van leven ontrafeld: het ontstond niet ín water, maar aan de rand ervan (scientias.nl)
• The fountain of life: Water droplets hold the secret ingredient for building life - Purdue University News
• Aqueous microdroplets enable abiotic synthesis and chain extension of unique peptide isomers from free amino acids | PNAS