05.10.2022 - Purdue University

Springbrunnen des Lebens: Wassertröpfchen enthalten geheime Zutat für die Entstehung von Leben

Chemiker entdecken Schlüssel zur frühen Erdchemie, der Wege zur Beschleunigung der chemischen Synthese für die Arzneimittelentdeckung eröffnen könnte

Chemiker der Purdue University haben einen Mechanismus aufgedeckt, wie Peptidbildungsreaktionen in Wasser ablaufen können - etwas, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor ein Rätsel stellt.

"Dies ist im Wesentlichen die Chemie hinter dem Ursprung des Lebens", sagte Graham Cooks, der Henry Bohn Hass Distinguished Professor für analytische Chemie am College of Science der Purdue University: "Dies ist der erste Nachweis, dass Urmoleküle, einfache Aminosäuren, spontan Peptide, die Bausteine des Lebens, in Tröpfchen aus reinem Wasser bilden. Dies ist eine dramatische Entdeckung."

Diese auf Wasser basierende Chemie, die zu Proteinen und damit zum Leben auf der Erde führt, könnte auch zu einer schnelleren Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung der schwächsten Krankheiten der Menschheit führen. Die Entdeckung des Teams wurde in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Seit Jahrzehnten gehen Wissenschaftler davon aus, dass das Leben auf der Erde in den Ozeanen begann. Die Chemie blieb jedoch ein Rätsel. Rohe Aminosäuren - etwas, das Meteoriten täglich auf die frühe Erde lieferten - können reagieren und sich zu Peptiden zusammenfügen, den Bausteinen von Proteinen und schließlich von Leben. Rätselhafterweise erfordert der Prozess den Verlust eines Wassermoleküls, was in einer feuchten, wässrigen oder ozeanischen Umgebung höchst unwahrscheinlich erscheint. Damit sich Leben bilden konnte, brauchte es Wasser. Aber es brauchte auch Platz abseits des Wassers.

Cooks, ein Experte für Massenspektrometrie und Chemie der frühen Erde, und sein Team haben die Antwort auf dieses Rätsel gefunden: "Wasser ist nicht überall nass." An den Rändern, wo der Wassertropfen auf die Atmosphäre trifft, können unglaublich schnelle Reaktionen ablaufen, die abiotische Aminosäuren in die Bausteine des Lebens verwandeln. Orte, an denen die Gischt des Meeres in die Luft fliegt und die Wellen an das Land schlagen oder an denen Süßwasser einen Abhang hinuntersprudelt, waren fruchtbare Landschaften für die potenzielle Evolution des Lebens.

Die Chemiker haben mehr als 10 Jahre damit verbracht, mit Massenspektrometern chemische Reaktionen in Wassertröpfchen zu untersuchen.

"Die Reaktionsgeschwindigkeiten in Tröpfchen sind hundert- bis millionenfach schneller als die der gleichen Chemikalien, die in einer Massenlösung reagieren", so Cooks.

Die Geschwindigkeit dieser Reaktionen macht Katalysatoren überflüssig, was die Reaktionen beschleunigt und - im Falle der frühen Erdchemie - die Entwicklung von Leben ermöglicht hat. Zu verstehen, wie dieser Prozess funktioniert, ist das Ziel jahrzehntelanger wissenschaftlicher Forschung. Das Geheimnis, wie das Leben auf der Erde entstanden ist, kann den Wissenschaftlern helfen zu verstehen, warum es geschah, und die Suche nach Leben auf anderen Planeten oder sogar Monden unterstützen.

Zu verstehen, wie sich Aminosäuren zu Proteinen und schließlich zu Lebensformen zusammensetzen, revolutioniert das Verständnis der Wissenschaftler für die chemische Synthese. Dieselbe Chemie könnte nun synthetischen Chemikern dabei helfen, die Reaktionen zu beschleunigen, die für die Entdeckung und Entwicklung neuer Medikamente und therapeutischer Behandlungen für Krankheiten entscheidend sind.

"Wenn man nachts über einen akademischen Campus geht, sind die Gebäude, in denen die Lichter brennen, die Arbeitsorte der synthetischen Chemiker", so Cooks. "Ihre Experimente sind so langsam, dass sie Tage oder Wochen am Stück laufen. Das ist nicht nötig, und mit Hilfe der Tröpfchenchemie haben wir ein Gerät gebaut, das jetzt in Purdue eingesetzt wird, um die Synthese neuer Chemikalien und potenzieller neuer Medikamente zu beschleunigen."

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