Все белки построены из одних и тех же 20 аминокислот. Предполагалось, что одного из них, цистеина, не было при зарождении жизни.
Несмотря на его фундаментальную важность для всей жизни сегодня, было неясно, как цистеин мог образоваться на ранней Земле.
В новом исследовании, опубликованном в Science, ученые UCL воссоздали, как цистеин образовался у истоков жизни.
Кроме того, они наблюдали, как после образования цистеин катализирует слияние пептидов в воде – фундаментальный шаг на пути к белковым ферментам.
Исследователи UCL создали цистеин, используя очень простой химический состав и химические вещества – цианистый водород и сероводород, которые, вероятно, были в изобилии на ранней Земле.
Путь, который они раскрыли, очень напоминает то, как цистеин синтезируется в живых организмах сегодня, и исследователи полагают, что они исторически связаны.
Исследование также показало, что остатки цистеина катализируют синтез пептидов в воде, объединяя короткие пептидные фрагменты, которые команда ранее обнаружила в исследовании, опубликованном в журнале Nature в прошлом году.
Старший автор профессор Мэтью Паунер (UCL Chemistry) сказал: «Наши результаты показывают, как цистеин мог образоваться на ранней Земле и как он мог сыграть решающую роль в эволюции синтеза белка.
«После образования цистеиновые катализаторы ведут себя как« протоферменты », производя пептиды в воде.
Эта надежная химия могла генерировать пептиды, достаточно длинные, чтобы складываться в ферментоподобные структуры, которые были бы предшественниками белковых ферментов, которые являются фундаментальными для всех живых организмов."
Со-ведущий автор и научный сотрудник доктор Саидул Ислам (UCL Chemistry) сказал: «Мы показали, что нитрилы обладают внутренней энергией, необходимой для образования пептидных связей в воде.
Это самый простой способ получения пептидов, который работает со всеми 20 аминокислотами, что делает его еще более невероятным.
"Это именно та простая, но особенная химия, которая была необходима для зарождения жизни несколько миллиардов лет назад.
Наше исследование предоставляет дополнительные доказательства того, что молекулы жизни произошли от химии нитрила на ранней Земле."
Со-ведущий автор доктор Каллум Фоден, который завершил работу, когда был аспирантом в Калифорнийском университете, сказал: «Пептидный синтез, который мы обнаружили, прост, очень селективен и использует молекулы, которые были доступны на ранней Земле.
"Одного остатка цистеина достаточно, чтобы вызвать сильную каталитическую активность. Примечательно, что такие маленькие молекулы могут проводить такую важную (био) химическую реакцию избирательно в воде, при нейтральном pH и с такими высокими выходами."
Обсуждая дальнейшие последствия своего исследования, профессор Паунер сказал: «Мы решили давнюю проблему происхождения жизни, предложив простое решение каталитического синтеза пептидов в воде. Важно отметить, что катализаторы построены только из аминокислот биологии. Понимание того, как цистеин мог контролировать образование самых первых пептидов на Земле, сделало длинный путь от химии к живому организму немного короче и менее пугающим.
«Наше исследование предполагает, что цистеин впервые был введен в пептиды жизни путем модификации серина (другой жизненной аминокислоты).
Это поднимает важные вопросы о ранней эволюции и кодировании пептидного синтеза. Широко распространено мнение, что цистеин не присутствовал в первом генетическом коде жизни, и это полностью согласуется с нашими наблюдениями.
Наши результаты показывают, что кодируемый серин может давать цистеиновые пептиды, что ведет к ключевой роли цистеина в эволюции еще до того, как он был отнесен к генетическому коду жизни."
Исследование получило финансирование от Simons Foundation, EPSRC и Volkswagen Foundation.