En av livets byggeklosser kan dannes i verdensrommet

Peptider er et av de minste biomolekylene og er en av livets kritiske byggesteiner. Ny forskning viser at de kan dannes på overflatene av iskalde korn i verdensrommet. Denne oppdagelsen gir troverdighet til ideen om at meteoroider, asteroider eller kometer kunne ha gitt livet på jorden en kickstart ved å krasje inn i planeten og levere biologiske byggesteiner.

Peptider er korte kjeder av aminosyrer, og aminosyrer er byggesteinene i proteiner. Når peptider går sammen i en kjede, kalles de polypeptider. En kjede av polypeptider lengre enn ca. 50 er et protein. Noen ganger kalles peptider de “kortere fetterne til proteiner.” Proteiner er større biomolekyler som spiller mange kritiske biologiske roller, så det ville ikke vært proteiner og ikke noe liv uten peptider. Hver celle og alt vev i kroppen inneholder peptider.

I følge de fleste, Emil Fischer oppdaget peptider og peptidbindingen tidlig på 1900-tallet. Han vant Nobelprisen i kjemi i 1902. Fischer trodde at dagen ville komme da forskere kunne bruke peptidvitenskap til å syntetisere proteiner. Nå lever vi i en tid med konstant oppdagelse og syntese av peptider, noe som fører til mer enn 80 nye terapier som behandler et bredt spekter av sykdommer. Peptider er kritiske, og bruken er utbredt. Oppdagelsen deres bidro til å innlede en tid preget av et utbrudd i vår forståelse av biologiske prosesser.

Oppdagelsen deres i rommet kan gjøre det samme for forståelsen av livets opprinnelse.

Peptider måtte komme fra et sted. Forskere har oppdaget andre byggesteiner som aminosyrer i verdensrommet de siste årene. Astronomer fant aminosyrer i meteoritter som falt til jorden, og de har oppdaget glycin i en komet sammen med ammoniumsalter og alifatiske forbindelser. Nå ser det ut til at vi kan legge til peptider på listen over organiske byggesteiner som forekommer naturlig i verdensrommet.

“Det er et utrolig faktum at komplekse organiske molekyler eksisterer i tettere områder mellom stjernene, i protoplanetariske skiver, primitive meteoritter og kometer.”

Thomas Henning, studiemedforfatter, MPIA.

Hvis denne nye forskningen er nøyaktig, kan naturlige prosesser i rommet produsere grunnleggende pre-biologiske byggesteiner. Dette antyder at muligheten for livets fremvekst kan være utbredt, og at enhver fruktbar planet eller måne sannsynligvis har blitt sådd med disse byggesteinene.

Forskningen kommer fra forskere ved University of Jena og Max Planck Institute for Astronomy. Avisen er “En vei til peptider i verdensrommet gjennom kondensering av atomært karbon.” Hovedforfatter er Serge Krasnokutski, og artikkelen er publisert i tidsskriftet Nature Astronomy.

“Det er et utrolig faktum at komplekse organiske molekyler eksisterer i tettere områder mellom stjernene, i protoplanetariske skiver, primitive meteoritter og kometer,” sa Thomas Henning, medforfatter av den nye studien og direktør ved Max Planck Institute for Astronomy. “De kan dannes av en rekke prosesser fra prosesser i gassfasen, på isete kornoverflater og våt kjemi på meteoritters moderlegemer.”

I papiret påpeker forskerne at komplekse molekyler er tilstede i det interstellare mediet (ISM). Tidligere forskere har simulert ISM-forhold i laboratorier og produsert de samme komplekse molekylene. Men det er en grense for den typen forskning. “Til nå har imidlertid bare relativt små molekyler av biologisk interesse blitt vist å dannes eksperimentelt under typiske romforhold,” forklarer de.

Denne forskningen fokuserer på de iskalde overflatene til støvkorn – spesielt karbon- eller silikatatomer – som finnes i gigantiske molekylære skyer (GMC). Hvis vi trekker fra de dominerende mengdene av hydrogen og helium i GMC, utgjør disse atomene halvparten av den gjenværende massen i GMC-er. Karbon- og silikatatomene er klumpet sammen i konglomerater mindre enn en milliondels meter i diameter. Deres plassering inne i GMC-er er avgjørende fordi stjerner, og til slutt planeter, dannes fra materiale i GMC-er. Dette er begynnelsen på den potensielle koblingen mellom peptider og liv på jorden eller andre steder.

Dette arbeidet er annerledes enn tidligere arbeid som produserte små biologisk viktige molekyler. Peptider er kjeder av aminosyrer, så de er større enn ting som formaldehyd produsert tidligere. Denne nye forskningen fokuserer på de iskalde lagene av karbon- og silikatatomkonglomeratene. Disse lagene gir et naturlig laboratorium hvor materialer fester seg til isen og kommer i nærkontakt med hverandre. Denne nærheten lar kjemiske reaksjoner danne mer komplekse molekyler.

“Her beviser vi eksperimentelt at kondensering av karbonatomer på overflaten av kalde faste partikler (kosmisk støv) fører til dannelsen av isomere polyglysinmonomerer (aminoketenmolekyler). Etter møter mellom aminoketenmolekyler polymeriserer de for å produsere peptider av forskjellig lengde, skriver forfatterne.

Denne oppdagelsen hviler sterkt på den vitenskapelige innsatsen til hovedforfatteren Serge Krasnokutski. Han er interessert i kjemien til karbonatomer, spesielt kalde karbonatomer som finnes i verdensrommet. Krasnokutski utviklet og patenterte deretter en metode for å produsere kalde karbonatomer som lar laboratorieeksperimenter duplisere forholdene i rommet. Labs rundt om i verden bruker nå denne metoden.

I 2020 publiserte Krasnokutski resultater som viste at glycin, som er den enkleste aminosyren, kan dannes på overflaten av støvkorn ved hjelp av kalde karbonatomer. Han viste at disse kjemiske reaksjonene ikke trengte ultrafiolette fotoner for en energikilde.

“Enkelte karbonatomer er overraskende reaktive, selv ved de laveste temperaturene,” sa Krasnokutski. “De fungerer som ‘molekylært lim’ ​​som binder molekyler sammen, og gjør uorganiske stoffer til organiske.”

Når enkle aminosyrer som glycin er dannet, stiller neste spørsmål seg nesten. Kan disse syrene dannes til lengre kjeder av peptider eller proteiner i verdensrommet?

Den eneste måten å finne ut av det på var å tenke ut og gjennomføre de riktige eksperimentene. Forskerteamet trengte å gjenskape nøkkelforholdene til kalde karbonatomer i verdensrommet. De brukte en metode som tidligere er utviklet ved MPIAs Laboratory Astrophysics Group ved University of Jena. Metoden sentrerer seg om et Ultra-High Vacuum (UHV) kammer, som skaper vakuumet som finnes i molekylære skyer i ISM.

Inne i UHV simulerte forskerne overflaten av iskalde støvkorn og avsatte atomer og molekyler på overflatene deres. De fant at aminoketen ble dannet på den kalde overflaten. Aminoketen er forløperen til glycin, den enkleste av aminosyrene. De fant også bevis på peptidbånd, en type kjemisk binding som binder aminosyrer sammen i korte kjeder av peptider, så vel som i lengre kjeder av proteiner.

Disse peptidbåndene dukket bare opp når teamet varmet prøvene opp over temperaturen inne i molekylære skyer. Så de kan oppstå naturlig når en ny stjerne dannes, eller når støvkornene avsettes på en planets overflate i en stjernes beboelige sone. “Sammen kan lavtemperaturkjemien som danner aminoketen og oppvarmingen som lar aminoketenmolekylene binde seg for å danne peptider skape peptider på interstellare støvkorn,” heter det i pressemeldingen.

Teamet har oppdaget en ny vei til dannelse av peptider. Og det krever mindre energi enn andre veier, noe som betyr at det kan skje naturlig i kulden i verdensrommet. Det krever også C-atomer, karbonmonoksid og ammoniakk, som er de mest tallrike molekylartene i ISM.

Karbon er i sentrum av dette, akkurat som det er i alt liv. “De enkle karbonatomene starter en rik og mangfoldig kjemi. Selv under forholdene som finnes i verdensrommet, går den kjemien mye lenger mot det som er nødvendig for livets fremvekst enn tidligere antatt, sa Krasnokutski.

Forskere finner ut at ingrediensene for livet er mer utbredt enn de trodde. Med denne studien finner vi ut at noen av disse ingrediensene kan kombineres til biologiske byggesteiner på et usannsynlig sted: det frysende vakuumet inne i molekylære skyer i ISM. Kompleksiteten til disse byggesteinene øker når forholdene blir varmere.

Disse resultatene styrker ideen om molekylær panspermi. Den ideen sier at selv om livet er sjeldent, er byggesteinene utbredt. Disse byggesteinene har sannsynligvis spredt seg til alle planeter og måner, selv om liv er umulig i de fleste verdener. Hvis dette er sant, har det sannsynligvis oppstått liv på mengder av måner og planeter i hele universet.

Men forskning viser at mange verdener, selv om de kan ha opplevd en periode med beboelighet, aldri forble beboelige lenge. Det betyr at jorden fortsatt er en sjeldenhet, muligens til og med unik.

Det er det eneste stedet vi vet om hvor små byggesteiner smidd i det frysende vakuumet i det ytre rom til slutt utviklet seg til et komplekst liv som var smart nok til å studere sin egen opprinnelse.

Mer: