Naukowcy odkrywają tajną rolę mocznika w powstawaniu życia

Naukowcy opracowali nowy sposób monitorowania reakcji chemicznych zachodzących w cieczach, rzucając światło na reakcje z udziałem cząsteczek takich jak mocznik, które mogły przyczynić się do pojawienia się życia na Ziemi. Technologia ta wykorzystuje specjalne urządzenie, które wytwarza niewielki strumień cieczy i spektroskopię rentgenowską, umożliwiając naukowcom badanie reakcji zachodzących w ciągu zaledwie femtosekund.

Naukowcy z ETH Zurich i Uniwersytetu Genewskiego opracowali nową technikę, która pozwala monitorować reakcje chemiczne zachodzące w cieczach z niezwykle dużą rozdzielczością czasową. Ta innowacja umożliwia im śledzenie zmian zachodzących wewnątrz cząsteczek w ciągu zaledwie femtosekund – innymi słowy, w ciągu kilku biliardowych części sekundy.

To przełomowe osiągnięcie opiera się na wcześniejszych badaniach tego samego zespołu kierowanego przez Hansa-Jacoba Wernera, profesora chemii fizycznej w ETH Zurich. Praca ta dała wyniki podobne do reakcji zachodzących w środowiskach gazowych.

Aby rozszerzyć obserwacje spektroskopii rentgenowskiej na ciecze, badacze musieli zaprojektować urządzenie zdolne do wytworzenia w próżni strumienia cieczy o średnicy mniejszej niż jeden mikrometr. Było to konieczne, ponieważ gdyby przepływ był szerszy, pochłaniałby część promieni rentgenowskich używanych do jego pomiaru.

Pionier molekularny w biochemii

Korzystając z nowej metody, badacze byli w stanie uzyskać wgląd w procesy, które doprowadziły do ​​pojawienia się życia na Ziemi. Wielu uczonych stawia hipotezę, że mocznik odegrał tu kluczową rolę. Jest to jedna z najprostszych cząsteczek zawierających węgiel i azot.

Co więcej, jest bardzo prawdopodobne, że mocznik istniał już w czasach, gdy Ziemia była bardzo młoda, co sugerował także słynny eksperyment przeprowadzony w latach pięćdziesiątych XX wieku: amerykański naukowiec Stanley Miller przygotował mieszaninę tych gazów, które jego zdaniem tworzyły prymitywne pierwiastki planeta. Atmosfera i jej narażenie na warunki burzowe. W ten sposób powstał szereg cząsteczek, z których jedną był mocznik.

Według obecnych teorii mocznik mógł być wzbogacany w ciepłych basenach – powszechnie nazywanych pierwotną zupą – na martwej wówczas Ziemi. Gdy woda w tej zupie wyparowała, stężenie mocznika wzrosło. W wyniku wystawienia na promieniowanie jonizujące, takie jak promienie kosmiczne, ten stężony mocznik mógł wytworzyć malon kwaśny Poprzez wiele etapów syntezy. To z kolei mogło stworzyć elementy składowe RNA I DNA.

Dlaczego dokładnie wystąpiła taka reakcja?

Korzystając ze swojej nowej metody, naukowcy z ETH Zurich i Uniwersytetu Genewskiego zbadali pierwszy etap tego długiego łańcucha reakcji chemicznych, aby zobaczyć, jak zachowuje się stężony roztwór mocznika pod wpływem promieniowania jonizującego.

Ważne jest, aby wiedzieć, że cząsteczki mocznika obecne w stężonym roztworze mocznika są pogrupowane w pary, czyli tak zwane dimery. Naukowcom udało się teraz udowodnić, że promieniowanie jonizujące powoduje powstawanie wodoru kukurydza W obrębie każdego z tych dimerów następuje przejście z jednej cząsteczki mocznika na drugą. To przekształca jedną cząsteczkę mocznika w protonowaną cząsteczkę mocznika, a drugą w rodnik mocznikowy. Ten ostatni jest bardzo reaktywny chemicznie – tak reaktywny, że prawdopodobnie będzie reagował z innymi cząsteczkami, tworząc w ten sposób również kwas malonowy.

Naukowcom udało się również wykazać, że przeniesienie atomu wodoru następuje bardzo szybko, trwając jedynie około 150 femtosekund, czyli 150 biliardowych części sekundy. „To jest tak szybkie, że ta reakcja wyprzedza wszystkie inne reakcje, które teoretycznie mogłyby również wystąpić” – mówi Forner. „To wyjaśnia, dlaczego stężone roztwory mocznika wytwarzają rodniki mocznikowe, a nie biorą udział w innych reakcjach, w wyniku których powstają inne cząsteczki”.

Duże znaczenie mają interakcje w cieczach

W przyszłości Forner i jego współpracownicy chcą zbadać kolejne etapy prowadzące do powstania kwasu malonowego. Mają nadzieję, że pomoże im to zrozumieć pochodzenie życia na Ziemi.

Jeśli chodzi o nową metodę, można ją zastosować również bardziej ogólnie do badania dokładnej sekwencji reakcji chemicznych w cieczach. „W płynach zachodzi cały szereg ważnych reakcji chemicznych, nie tylko wszystkie procesy biochemiczne zachodzące w organizmie człowieka, ale także wiele kombinacji chemicznych mających znaczenie przemysłowe” – mówi Forner. „Dlatego tak ważne jest, abyśmy teraz rozszerzyli zakres wysokoczasowej spektroskopii rentgenowskiej o wysoką rozdzielczość, aby uwzględnić reakcje zachodzące w cieczach”.

Odniesienie: „Femtosekundowy transfer protonów w roztworach mocznika badany za pomocą spektroskopii rentgenowskiej” autorstwa Zhong Yin, Yi-Ping Zhang, Tadas Balciunas, Yashuj Shakya, Alexa Djurovic, Jeffrey Goller, Giuseppe Fazio, Ruben Santra, Ludger Inhester, Jan Pierre Wolff i Hans Jacob Werner, 28 czerwca 2023 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06182-6

Naukowcom z ETH Zurich i Uniwersytetu Genewskiego pomagali w tych pracach koledzy z Deutsches Elektronen-Synchrotron. Desi w Hamburgu, który wykonał niezbędne obliczenia w celu interpretacji danych pomiarowych.