생명의 기원: 광물과의 동질성?

이는 생명의 기원을 연구하는 데 있어 매우 중요한 과제입니다. 생물학적으로 관련된 고분자를 비생물적으로 생성하는 데 대한 많은 장애물 중에서 동종키랄성을 달성하는 것이 아마도 극복하기 가장 어려운 장애물일 것입니다. 동질성이란 무엇입니까? 음, 생명체의 모든 거대분자는 거울상으로 존재하는 빌딩 블록으로 구성됩니다. 왼손과 오른손의 비유는 이 화학적 개념을 전달하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 극소수의 예외를 제외하면 인생은 이러한 형태 중 하나만 사용합니다.

거울상 화합물의 화학적 특성은 모든 실제 목적에서 동일합니다. 따라서 매우 단순한 화합물을 출발 물질로 사용하여 프리바이오틱스 세계에서 이러한 빌딩 블록을 생산하면 이러한 빌딩 블록이 라세믹 혼합물 또는 50/50 분포로 나타날 것으로 예상됩니다. 이는 제가 지난 5월에 여기에 쓴 것처럼 소행성에서 회수된 유기 화합물을 분석하여 이미 확인되었습니다.

지구상 생명체의 사전생물적 기원을 과학계에 설득력 있게 설명하려면 이 혼합물에서 단 하나의 구성으로만 구성된 폴리머를 생산하는 것이 의무적입니다. 호모키랄 빌딩 블록을 사용하여 폴리펩티드(단백질) 또는 RNA를 생산하는 화학적 방식을 제안하는 것이 당면 과제입니다. 용액에서 이러한 위업을 수행하는 것은 실현 불가능해 보이므로 많은 OOL(생명 기원) 과학자들은 프리바이오틱스 수프 접근 방식을 포기했습니다. 널리 연구된 더 나은 대안은 이론적으로 유기 화학물질의 흡착이 한 쌍의 키랄 분자 중 하나의 구성을 우선적으로 선택할 수 있는 광물 표면을 사용하는 것입니다.

여기서는 관련 연구의 결과를 언급하면서 이 실험적 접근 방식을 간략하게 논의하겠습니다. 나는 먼저 아미노산을 중합하여 단백질을 형성한 다음, RNA 전구체를 사용하여 이러한 위업을 달성하려는 시도를 고려할 것입니다.

올리고펩타이드를 형성하기 위해 짧은 길이의 아미노산을 얻는 효능을 보여주는 연구 중 가장 초기의 연구 중 하나가 1978년에 보고되었습니다(Lahav N., White D., and Chang S. (1978) Science 201: 67-69). 축합 반응을 촉진하여 아미노산 사이에 펩티드 결합을 형성하기 위해 사용된 시스템은 점토 광물(카올리나이트 및 벤토나이트)을 사용하는 것이었습니다. 가열, 증발 및 재수화의 반복적인 주기가 호출되었으며, 이는 생물이 존재하기 이전의 지구에 존재할 가능성이 있는 조건입니다. 가장 단순한 아미노산인 글리신(키랄 중심이 없음)을 사용하여 디글리신은 펜타펩타이드 길이까지 점진적으로 더 적은 양으로 낮은 수준으로 생산되는 것으로 밝혀졌습니다. 특히 이 사이클의 가열-건조 단계는 분명히 축합 반응을 촉진하여 펩타이드 결합 형성을 가능하게 합니다.

이것은 시작이었지만 생물학적 관련성이 있는 폴리펩티드 길이를 생산하는 데는 아직 갈 길이 멀었습니다. 작은 단백질은 생물학적 기능에 효과적으로 기여하기 위해 최소 100-200개의 아미노산에 도달해야 합니다. 희망이 희미해진 후, 다른 많은 실험실에서도 유사한 접근 방식을 취하여 다양한 광물 표면과 다양한 반응 조건을 테스트했습니다. 가장 높은 성취를 이룬 사람들은 최대 10개 단위의 폴리펩티드를 생산했습니다. 이러한 연구를 통해 폴리펩타이드가 생성된 기간이 길어질수록 미네랄 표면에서 이를 회수하기가 더 어려워진다는 것이 분명해졌습니다. 이는 아미노산의 긴 사슬에 퍼져 있는 수많은 화학적 결합력을 통해 단단히 결합되어 있기 때문입니다. 긴 폴리펩티드를 만드는 데 성공하면 중합체가 생명체의 필요에 따라 용액으로 방출되는 대신 표면에 고정된 상태로 유지되는 것처럼 보입니다.

위에서 설명한 연구의 주요 결함은 이 경로에 의해 동형키랄 선택성이 어떻게 시행될 수 있는지 설명하려고 시도하지 않았다는 것입니다. 아미노산의 라세미 혼합물로 폴리펩티드를 합성하는 것은 기능적 측면에서 생물 이전의 생명체에게 아무 것도 제공하지 않습니다. 단백질이 구체적이고 재현 가능한 구조를 취하려면 호모키랄 아미노산 세트를 사용해야 합니다. 이러한 목표를 염두에 두고 한 실험실에서는 아스파르트산의 거울상 이성질체 쌍이 방해석(탄산칼슘)의 거울 대칭을 갖는 반대면에 우선적으로 흡착한다고 보고했습니다. 3개의 관능기(2개의 카르복실산과 1개의 아민기)를 갖는 아스파르트산은 노출된 방해석의 화학 그룹에 대해 호모키랄 선택성을 갖고 방향을 잡는다는 것이 제안되었습니다. 이는 논리적으로 관찰된 ~90%의 키랄 농축을 설명하기 위한 것입니다.