R. Graham Cooks, der Henry B. Hass Distinguished Professor of Chemistry, und seine Postdoktorandin Lingqi Qiu haben experimentelle Belege dafür gefunden, dass der Schlüsselschritt der Proteinbildung in Tröpfchen aus reinem Wasser auftreten kann. Sie haben diese Ergebnisse kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
In diesem Schlüsselschritt werden Aminosäuren dehydriert (sie verlieren Wasser), obwohl sie sich in einer Wasserlösung befinden. Das ist ein Paradoxon, das durch die Tatsache erklärt wird, dass diese Tröpfchenoberflächen ungewöhnlich trocken und hochgradig säurehaltig sind. Unter diesen Bedingungen verbinden sich Aminosäuren miteinander, um Peptide zu bilden – ein grundlegender Schritt zur Bildung von Proteinen und letztendlich auch lebenden Organismen.
Ein entscheidender Aspekt der Entdeckung ist, dass die natürlicherweise “linksdrehende” Struktur von Aminosäuren durch diesen Prozess aufrechterhalten wird. Das führt zur Bildung reiner chiraler Peptide mit derselben Art “Linkshändigkeit”. Die Autoren identifizierten bestimmte Verbindungen (Oxazolidinone) als einen wichtigen Zwischenschritt in dieser Reaktion.
Sie stellten außerdem fest, dass diese Dehydrierungsreaktion nicht auf mikroskopische Tröpfchen begrenzt ist. Sie geschieht auch in einem größeren (Zentimeter-)Maßstab, wie sie in einem Laborexperiment demonstrierten, welches mit dem Oxazolidinone-Zwischenstadium begann. Diese großräumigere Reaktion spiegelt die Chemie der Mikrotröpfchen wider und ist auch analog zu den gut untersuchten Nasstrockenzyklen, die vermutlich in hydrothermal aktiven Quellen und Küsten auftreten. Dieser Zusammenhang verbindet die Peptidbildung in Aerosolen und in umfangreicheren präbiotischen Umgebungen.
Die Studie ergänzt auch Belege dafür, dass die Oberfläche von Wassertropfen ein einmaliges aktives physikalisches und chemisches System darstellt. Präsent sind sehr starke elektrische Felder und extreme Azidität, die die Dehydrierung von Aminosäuren antreibt, um Proteine zu bilden. Studien der Schnittstellenchemie von Wassertröpfchen gibt neue Einblicke in die frühen Stadien der chemischen Entwicklung des Lebens.
Die Autoren weisen auf wertvolle Diskussionen mit Dylan T. Holden und Nicolás M. Morato von der Purdue University hin. Finanzielle Unterstützung erhielten sie von der Multidisciplinary University Research Initiative des Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0170) durch die Stanford University (62741613-204669). Auch die National Science Foundation (CHE-1905087) unterstützte die Studie.
(THK)
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