Фізики відстежують біохімічні реакції в «теплих маленьких ставках» Дарвіна – Physics World

Фізики відстежують біохімічні реакції в «теплих маленьких ставках» Дарвіна – Physics World

Мітка часу: 7 серпня 2023 р., 12:00
Вихідний вузол: 2811185

Дві сусідні молекули сечовини у водному розчині обмінюються протонами
Дві сусідні молекули сечовини у водному розчині обмінюються протонами. (З дозволу: DESY, Ludger Inhester)

Коли життя вперше з’явилося на Землі чотири мільярди років тому, воно, можливо, почалося в тому, що натураліст 19-го століття Чарльз Дарвін назвав «теплими маленькими ставками»: басейни з вулканічним підігрівом, що містять суп із спочатку неживих органічних молекул. У недавньому дослідженні дослідники зі Швейцарії та Німеччини пролили світло на цю тему, вивчивши, як одна така молекула, сечовина, реагує на імпульси іонізуючого випромінювання. Результати їхньої роботи, яка використовувала ультрашвидку рентгенівську абсорбційну спектроскопію для спостереження за хімічними реакціями в режимі реального часу, можуть покращити наше розуміння біохімічного походження життя.

Коли сечовина піддається іонізуючому випромінюванню, вона утворює малонову кислоту. Потім ця кислота реагує з неіонізованою сечовиною з утворенням кількох нуклеотидних основ, які є основними компонентами РНК і ДНК. Такі процеси цілком могли відбутися, коли «теплі маленькі ставки» піддавалися ультрафіолетовому випромінюванню Сонця, і, можливо, зіграли роль у появі ранніх форм життя.

Два імпульси

У своєму експерименті дослідники під керівництвом Жан-П'єр Вольф в університет Женеви та Ганс Якоб Вернер at ETH Цюріх, Швейцарія, застосував лазерний імпульс до висококонцентрованого розчину сечовини, в результаті чого деякі молекули сечовини втрачали електрони та ставали іонізованими. Відразу після цього вони послали ультракороткий імпульс м’якого рентгенівського випромінювання. Цей другий імпульс показує, як молекула сечовини реагує на втрату електрона.

Дослідники повторили експеримент кілька разів, змінюючи інтервал часу між імпульсом іонізуючого лазера та імпульсами м’якого рентгенівського випромінювання. Цей метод, відомий як рентгенівська абсорбційна спектроскопія з часовим розподілом (XAS), зазвичай використовується в оптичному режимі для вивчення конкретних частинок у матеріалах, але ця робота поширює його на рентгенівську частину електромагнітного спектру.

«Ми також хотіли відтворити умови експерименту, якомога ближче до «реального світу», і тому нам потрібно було проводити вимірювання в рідкій фазі», — пояснює провідний автор дослідження. Чжун Інь, колишній член команди ETH Zurich, який зараз знаходиться в Університет Тохоку в Японії. «Для цього ми розробили рідкий плоский лист субмікронної товщини, який необхідний для XAS без артефактів через дуже коротку довжину затухання системи».

Іншим ключовим елементом експерименту, додає Інь, є те, що їхнє джерело світла може видавати ультракороткі імпульси в діапазоні енергій, досить широкому, щоб покрити межі поглинання вуглецю та азоту в молекулі сечовини. «Це означало, що ми могли визначити, що сигнал поглинання надходить виключно від сечовини, оскільки рідка вода не містить вуглецю та азоту», — розповідає він. Світ фізики.

Роздільна здатність фемтосекундної шкали

Використовуючи цю техніку, команда змогла реконструювати послідовність подій у масштабі кількох фемтосекунд (10-15 s), що означає, що дослідники могли стежити за хімічними реакціями в реальному часі та спостерігати, як розвивається система. Однак навіть із новою технікою та потрібними інструментами це було нелегко. «Інтерпретація спектрів виявилася особливо складною справою та потребувала детального комп’ютерного моделювання, яке ми розробляли тут, у DESY протягом багатьох років», — пояснює Людгер Інхестер, який є фізиком-теоретиком у CFEL у DESY у Гамбурзі.

Дослідники помітили, що коли молекула сечовини іонізується (тобто стає позитивною, оскільки втрачає електрон), вона штовхає протон (ядро водню) до найближчої нейтральної, неіонізованої молекули сечовини, намагаючись її втратити. позитивний заряд. «Ця передача протона з фемтосекундною швидкістю створює радикал сечовини разом із позитивно зарядженим іоном сечовини», — каже Інхестер. «Обидва є хімічно реактивними і могли призвести до утворення молекул РНК — основних будівельних блоків раннього життя — мільярди років тому».

Новий експеримент є першим, у якому спостерігаються такі надзвичайно швидкі процеси в молекулі у водному середовищі, додає він. Попередні експерименти проводилися в газовій фазі, але спостереження за поведінкою молекул, зважених у воді, є важливим, особливо коли йдеться про розуміння біологічних процесів.

Зараз члени команди Гамбург-Женева-Цюріх хотіли б продовжити дослідження початкового етапу динаміки іонізації. «Такий експеримент вимагатиме навіть більш високої тимчасової роздільної здатності та займе деякий час для налаштування», — каже Їнь. «Однак я впевнений, що ми побачимо щось нове та захоплююче, коли зробимо це».

Їх поточне дослідження детально описано в природа.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики