Svetimas gyvenimas galėtų panaudoti begalę statybinių blokų

Amino rūgštis

Aminorūgštis turi „stuburą“, kurį laiko vienas anglies atomas. Šoninė grandinė „R“ yra kiekvienos amino rūgšties atomų derinys. (Vaizdo kreditas: „Wikimedia Commons“)





Baltymams gaminti naudojama tik 20 standartinių amino rūgščių, tačiau kodėl būtent gamta „pasirinko“ būtent šias amino rūgštis, vis dar yra paslaptis.

Vienas žingsnis sprendžiant šį klausimą yra ištirti „aminorūgščių erdvę“ - galimų ar hipotetinių dalykų rinkinį amino rūgštys kuris galėjo būti naudojamas vietoj to. Nauji tyrimai panaudojo kompiuterinius modelius kuriant didelę patikimų aminorūgščių duomenų bazę, atskleidžiant tūkstančius aminorūgščių struktūrų, kurios galėjo būti panaudotos.

Visi Žemės organizmai naudoja tą pačią darbo jėgą, kad atliktų įvairias esmines biochemines užduotis. Šią darbo jėgą sudaro baltymai, kurie yra pagaminti iš ilgos tarpusavyje sujungtų aminorūgščių. [ 7 teorijos apie gyvybės atsiradimą ]



Net ir baltymams, turintiems ypač ilgas aminorūgščių grandines, vis dar yra tik 20 skirtingų tipų amino rūgščių, kurios yra genetiškai užkoduotos. Šios amino rūgštys iš esmės yra gyvenimo blokus , ir tos pačios 20 standartinių aminorūgščių buvo naudojamos baltymuose per visą gyvybės Žemėje istoriją nuo paskutinio visuotinio bendro protėvio egzistavimo prieš tris ar keturis milijardus metų.

Visos amino rūgštys turi panašią „stuburo“ struktūrą, kuri yra rūgšties pagrindas. Šis stuburas yra laikomas kartu per vieną anglies atomas, veikiantis kaip tiltas, jungiantis įvairias atomų grupes. Aminorūgštys, turinčios vieną anglies jungtį, vadinamos alfa aminorūgštimis. Tačiau tiltelyje gali būti daugiau nei vienas anglies atomas. Šiuo atveju jos vadinamos beta aminorūgštimis ir pan.

20 skirtingų aminorūgščių sulips įvairiose formacijose, kad susidarytų baltymai.



20 skirtingų aminorūgščių sulips įvairiose formacijose, kad susidarytų baltymai.(Vaizdo kreditas: „Plant & Soil Sciences eLibrary“)

Prie stuburo pritvirtinta atomų grupė, vadinama šonine grandine, ir šoninės grandinės struktūra skiriasi nuo vieno amino rūgštis į kitą, sukuriant stulbinantį kintamumą.

Žinoma, amino rūgštys atsiranda ne tik baltymuose. Yra daug kitų, turinčių skirtingas biologines funkcijas, o kai kurios amino rūgštys taip pat gaminamos abiotiškai. Kai kurios iš šių abiotinių amino rūgščių nėra išskirtinės Žemei. Pavyzdžiui, Murchisono meteoritas buvo nustatyta, kad jame yra mažiausiai 75 aminorūgštys, ir net manoma, kad amino rūgštis glicinas gali egzistuoti tarpžvaigždinėje terpėje.



Tačiau abiotinė chemija vis dar gali sudaryti tik pusę iš 20 genetiškai užkoduotų aminorūgščių, ir yra daug neatsakytų klausimų dėl amino rūgščių vaidmens. Ar nežemiškas gyvenimas galėtų naudoti kitokį amino rūgščių rinkinį? Kodėl gyvenimas Žemėje pasirinko būtent tas amino rūgštis? Kokias kitas amino rūgštis buvo galima pasirinkti? Tai visi atviri astrobiologijos klausimai, ir vienas žingsnis link atsakymo į juos yra įvertinti aminorūgščių, kurios galėjo būti panaudotos gyvenimui Žemėje, įvairovę. [ Kokie yra gyvenimo ingredientai? ]

Aminorūgščių apibrėžimas

Markusas Meringeris, Jimas Cleavesas ir Stephenas Freelandas ėmėsi šio žingsnio, bandydami sukurti sintetinį tikėtinų aminorūgščių struktūrų žemėlapį, kurio dydis ir sudėtis yra panašūs į 20 genetinių aminorūgščių.

Iki šiol šių struktūrų modeliavimas buvo apsunkintas dėl sudėtingumo generuoti tiek daug skirtingų cheminių struktūrų. Tačiau, pasirinkę kitokį požiūrį į problemą, mokslininkai sugebėjo parengti preliminarų aminorūgščių žemėlapį.

Jie įvedė molekulinę formulę į kompiuterinę programą, kuri pagal šią formulę galėjo vizualizuoti skirtingas aminorūgščių struktūras. Tačiau visų galimų aminorūgščių apskaičiavimas yra sunkus darbas net ir greičiausiems kompiuteriams. Be to, išvardinus visas galimas aminorūgštis, nesusiaurėja tų, kurios domina astrobiologiją. Todėl pagrindinis iššūkis mokslininkams iš tikrųjų buvo apibrėžti, ką an amino rūgštis turėtų būti, ir tam jie naudojo skirtingus metodus.

Skirtingi amino rūgščių variantai

Būdas susiaurinti įdomias amino rūgštis yra ištirti „erdvę“ aplink 20 genetinių amino rūgščių. Tai galima padaryti sukuriant kelis kiekvienos amino rūgšties variantus, maišant atomus.

Pavyzdžiui, izomeras turi tą pačią molekulinę formulę, tačiau turi skirtingą cheminę struktūrą (arba išdėstymą erdvėje), todėl kiekvienos aminorūgšties izomerų generavimas suteiks „izomerų erdvę“.

Ši izomerų erdvė skiriasi kiekvienos amino rūgšties dydžiu, iš dalies priklausomai nuo to, kiek atomų yra rūgštyje. Todėl izomerų erdvė yra didžiausia triptofanas , amino rūgštis, turinti daugiausiai atomų.

Murchisono meteorite yra mažiausiai 75 aminorūgštys.

Murchisono meteorite yra mažiausiai 75 aminorūgštys.(Vaizdo kreditas: „Wikimedia Commons“)

Neaiškios formulės

Tačiau izomerų erdvė vis dar yra apatinė galimų aminorūgščių, kurias būtų galima naudoti baltymuose, skaičiaus riba. Izomerų erdvė zonduoja tik tą sritį, kuri yra arti aminorūgšties, o ne kreipiasi į kaimynus, kad ištirtų tarpą tarp formulių.

Todėl mokslininkai įtraukė papildomų derinių, atsižvelgdami į minimalų ir maksimalų galimų atomų skaičių kiekvienam cheminiam elementui. Apgaulė, kurią jie taikė tam, buvo „neryškios formulės“ naudojimas.

Tai reiškia, kad vietoj to, kad programinei įrangai sakytų, jog kiekvienas kiekvieno cheminio elemento atomas turi įvykti tam tikrą skaičių kartų, neryški formulė nurodo programinei įrangai būti šiek tiek neaiškesnei arba „neaiškiai“, kad elementas galėtų turėti skirtingą skaičių atomai. Pavyzdžiui, deguonis gali būti nurodytas kaip diapazonas nuo 2 iki 4, kad programa ieškotų sprendimų, apimančių 2, 3 arba 4 deguonies atomus.

Naudojant šią miglotą formulę, atrado papildomų aminorūgščių derinių lobyną. Tačiau vieną neaiškią formulę galima naudoti tik norint ištirti erdvę apie 15 aminorūgščių. Vienos formulės, į kurią gali būti įtraukti visi 20, vis dar per daug, kad būtų galima valdyti dabartinę skaičiavimo galią.

Biochemijos paletė

Kitas žingsnis buvo pabandyti ištirti aminorūgščių erdvę už izomerų, įtraukiant penkias, kurios buvo ignoruojamos ankstesniame etape. Tai reiškė, kad turėjo būti naudojamos kelios neaiškios formulės, tačiau to nebuvo galima padaryti nesuklasifikavus genetinių aminorūgščių į 10 skirtingų grupių.

„Yra daug būdų, kaip galima klasifikuoti koduotas aminorūgštis pagal funkcines grupes ir savybes“, - sakė Cleavesas. 'Bet jei jūs laikytumėtės tik biologijoje stebimų funkcinių grupių ir skaičiavimo būdu suprastumėte tą cheminę įvairovę, ji nebūtų beveik tokia plati, kaip mes sugalvojome, ir akivaizdu, kad biochemija turėjo didžiulę paletę metu evoliucija “.

Naudojant 10 neryškių formulių pasirodė esąs sėkmingiausias būdas ištirti aminorūgščių erdvę. Šis metodas ne tik turi trumpesnį apdorojimo laiką nei naudojant vieną miglotą formulę, bet ir turi pranašumą, nes apima visų genetinių aminorūgščių variantus. [ Genetika pagal skaičius: 10 gąsdinančių pasakų ]

Kairėje parodyta izomerų erdvė tiria tik erdvę aplink amino rūgštis. Antrasis paveikslas rodo, kad naudojant vieną neaiškią formulę tyrinėjama daug platesnė erdvė, tačiau negalima atsižvelgti į visas amino rūgštis. Paskutiniame paveikslėlyje parodyta aminorūgščių erdvė, kai naudojamos kelios neaiškios formulės.

Kairėje parodyta izomerų erdvė tiria tik erdvę aplink amino rūgštis. Antrasis paveikslas rodo, kad naudojant vieną neaiškią formulę tyrinėjama daug platesnė erdvė, tačiau negalima atsižvelgti į visas amino rūgštis. Paskutiniame paveikslėlyje parodyta aminorūgščių erdvė, kai naudojamos kelios neaiškios formulės.(Vaizdo kreditas: perspausdintas gavus Meringer ir kt. Leidimą (2013). Autorių teisės 2013 American Chemical Society.)

Aminorūgščių kartografija

Sukurtų aminorūgščių struktūrų skaičius viršija visus ankstesnius įvertinimus. Naudojant metodą su viena neryškiąja formule, buvo sukurta 120 000 tikėtinų struktūrų, o naudojant 10 neryškių formulių, tai susiaurėja iki biologiškai svarbesnio beveik 4000 aminorūgščių rinkinio. Tai rodo, kad egzistuoja stulbinantis skaičius variantų, kuriuos galbūt būtų galima panaudoti kuriant genetiškai užkoduotą aminorūgščių rinkinį, tačiau jų yra tik 20.

Abiejų metodų rezultatus jie palygino su biologinių alfa aminorūgščių duomenų bazėmis, viršijančiomis 20 genetinių, ir su aminorūgštimis, esančiomis anglies turinčiuose meteorituose. Daugelis aminorūgščių, esančių kompiuterių bibliotekoje, taip pat atsiranda gamtoje, o tai rodo, kad aminorūgščių generavimas kompiuteriu yra būdas nustatyti potencialiai įdomias amino rūgštis, kurios galėtų būti naudojamos baltymuose. Net įmanoma, kad yra neatrastų natūralių aminorūgščių, kurių cheminę struktūrą ištyrė kompiuterinė duomenų bazė.

Komandos sukurtos kompiuterių bibliotekos dabar gali būti naudojamos kaip pagrindas tolesniam tyrimui į aminorūgščių džiungles ir galiausiai gali padėti suprasti gyvenimo pamatus.

Tyrimas buvo paskelbtas lapkričio mėnesio leidinyje „Cheminės informacijos ir modeliavimo žurnalas“, kurį galite rasti čia: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ci400209n

Šią istoriją pateikė Žurnalas Astrobiologija , internetinis leidinys, kurį remia NASA astrobiologijos programa .

Sekite mus @Spacedotcom , Facebook arba „Google+“ . Paskelbta guesswhozoo.com.