생명의 기원인 원시 연못에서 우라실 골격 구축: 아스파르트산의 카르바모일화

Mar 16, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19178(2022) 이 기사 인용

1267 액세스

1 인용

3 알트메트릭

측정항목 세부정보

많은 양의 핵염기와 아미노산이 운석에서 발견되는데, 이는 태양계에 여러 화학 저장소가 존재함을 의미합니다. "지구화학적 연속성" 가설은 효소가 없는 프리바이오틱스 세계에서 소위 "벽돌"로부터 대사 경로가 어떻게 발달했는지, 그리고 그것이 생명의 기원에 어떤 영향을 미쳤는지 탐구합니다. 살아있는 세포에서 우리딘과 시티딘 RNA 단량체를 합성하는 두 번째 단계는 카르바모일 공여체에서 아스파르트산으로의 카르바모일 전달입니다. 여기에서는 두 가지 효소가 없는 시나리오, 즉 최대 250°C의 열 범위에서 수성 및 미네랄 표면 시나리오를 비교합니다. 두 과정 모두 원시 지구의 개방된 대기 아래 연못에서 일어났을 수 있습니다. 25°C의 수용액에서 아스파르트산을 시아네이트로 카바모일화하면 16시간 이내에 높은 N-카바모일 아스파르트산 수율을 얻을 수 있습니다. 열역학에 따르면 다양한 분자가 효율적인 카바모일화제가 될 수 있지만 동역학이 생체학적으로 가능한 경로를 선택하는 데 결정적인 역할을 한다는 점을 강조하는 것이 중요합니다.

우리가 아무것도 모르지만 다윈주의 후손인 최초의 생명체의 출현에 대한 문제는 불활성에서 생명체로의 전환이라는 각도에서 다루어질 수 있습니다. "지구화학적 연속성"1 가설은 생명의 진화 중 특정 단계에서 대사 경로의 주요 부분이 이전에 비생물학적 환경에서 발생했던 반응을 재현한다고 말합니다. 이는 인색하면서도 위조가 가능하며, 생명이 "괴상한 사고"가 아닌 지속적인 과정으로 발전했다는 생각과도 양립합니다. 또한, 단순하고 풍부한 전구체의 원형대사 경로는 생화학적 빌딩 블록을 지속적으로 재공급하여 외인성 전달 시나리오에서 발생하는 고갈 문제를 피할 수 있습니다. 이 가설에서 생명을 정의하는 구조(대사, 정보, 구획)는 동일한 일반 경로를 따라 시작되었을 수 있지만 운동(이질적, 촉매 작용을 포함한 무기) 및 열역학적 제어(거시적 환경 변동에서 발생하는 자유 에너지)에 대한 다른 대안을 사용하여 시작되었을 수 있습니다. ) 오늘날 우리가 유기체에서 관찰하는 것보다4,5.

이러한 사고 방식에서 우리는 피리미딘(오로테이트 경로)의 드 노보 합성인 뉴클레오티드 생합성의 전형적인 대사 순서를 비생물적 환경으로 전환하려는 목적으로 탐구하고 있습니다. 비효소적 피리미딘 생합성은 오로테이트 경로의 전위 시도나 다른 전구체를 포함하는 대체 경로를 통해 최근 많은 관심의 대상이 되었습니다. 이전 출판물에서 우리는 이 생화학적 경로의 시작 부분에 사용되는 활성화된 카르바모일화제인 카르바모일 인산염의 프리바이오틱스 잠재력을 고려했습니다. 현재 우리는 우라실 구조의 7원자 전구체인 N-카바모일-아스파르트산(NCA)의 형성에 집중하고 있습니다.

우레이도숙신산(ureidosuccinic acid)이라고도 불리는 NCA는 박테리아에서 진핵생물에 이르기까지 모든 살아있는 종에 존재합니다. NCA는 세포질뿐만 아니라 배설물(타액) 및 장기(전립선)에도 존재합니다. 이는 아스파테이트 카르바모일트랜스퍼라제 효소(ATCase)9의 작용을 통해 카르바모일 인산염과 L-아스파르트산으로부터 합성됩니다. 이는 아스파르테이트 및 피리미딘 대사에서 중요한 역할을 하기 때문에 카나반병 및 디하이드로피리미디나제 결핍과 같은 여러 기능 장애에 관여합니다10.

추가적인 고리화 단계 후에 NCA는 우라실5,13,14의 전구체인 오로틱산11,12의 핵심 골격을 형성하므로(그림 1), 이는 지구화학적 연속성 가설이 유효한지 확인하는 주요 프리바이오틱 표적입니다.

오로테이트 경로를 따른 현재 생체 내 피리미딘 생합성. 여기서 연구한 단계는 박스형입니다.

이전 연구에서 우리는 카르바모일 인산염(CP)이 프리바이오틱스 조건에서는 다소 불안정하지만 여전히 에너지가 풍부한 카르바모일 부분을 포함하는 두 개의 다른 분자인 시아네이트와 요소를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 따라서 CP 자체가 프리바이오틱스 카바모일화 경로에 관여했을 가능성은 거의 없습니다. 그러나 대체 카바모일화제로서 시아네이트 및 요소 유형 화합물의 잠재력은 탐구할 가치가 있습니다. 시아네이트와 요소 유사 화합물은 카바모일 인산염과 달리 프리바이오틱 환경에서 여러 경로를 통해 생산될 수 있습니다16. 따라서 우리는 먼저 알칼리성 수성 조건에서 시아네이트와 L-아스파르트산의 반응을 통한 NCA 합성을 조사했습니다. 그런 다음 광물 촉매가 효소의 역할을 모방할 수 있다는 아이디어를 포함하여 지구화학적 연속성 가설의 예측을 테스트하기 위해 건조 단계와 관련된 광물 표면 시나리오도 평가했습니다(그림 2).