Alien Life kan bruke endeløs matrise av byggeklosser

Aminosyre

En aminosyre har en 'ryggrad' som holdes sammen av et enkelt karbonatom. Sidekjeden 'R' er en kombinasjon av atomer som er forskjellig for hver aminosyre. (Bildekreditt: Wikimedia Commons)



Bare 20 standard aminosyrer brukes til å bygge proteiner, men hvorfor akkurat naturen 'valgte' akkurat disse aminosyrene er fortsatt et mysterium.



Ett skritt mot å løse dette er å utforske 'aminosyreområdet', settet med mulige eller hypotetiske aminosyrer som kan ha blitt brukt i stedet. Ny forskning har brukt datamodeller for å konstruere en stor database med sannsynlige aminosyrer, og avslører tusenvis av aminosyrestrukturer som kunne vært brukt.

Alle organismer på jorden bruker den samme arbeidsstyrken til å utføre et bredt spekter av viktige biokjemiske oppgaver. Denne arbeidsstyrken består av proteiner, som er konstruert av en lang rekke aminosyrer festet til hverandre. [ 7 teorier om livets opprinnelse ]



Selv for proteiner med spesielt lange kjeder av aminosyrer, er det fortsatt bare 20 forskjellige aminosyrer som er genetisk kodet. Disse aminosyrene er i hovedsak byggesteiner i livet , og de samme 20 standard aminosyrene har blitt brukt i proteiner gjennom livets historie på jorden, siden eksistensen av den siste universelle felles stamfar for tre til fire milliarder år siden.

Aminosyrer har alle en lignende 'ryggrad' -struktur, som er grunnlaget som syren er bygget på. Denne ryggraden holdes sammen via en singel karbon atom som fungerer som en bro for å koble forskjellige grupper av atomer. Aminosyrer med en enkelt karbonkontakt kalles alfa -aminosyrer. Det er imidlertid mulig å ha mer enn ett karbonatom i broen. I dette tilfellet kalles de beta -aminosyrer, og så videre.

De 20 forskjellige aminosyrene vil holde sammen i forskjellige formasjoner for å danne protein.



De 20 forskjellige aminosyrene vil holde sammen i forskjellige formasjoner for å danne protein.(Bildekreditt: Plant & Soil Sciences eLibrary)

En gruppe atomer, kalt en sidekjede, er festet til ryggraden, og det er strukturen til sidekjeden som skiller seg fra en aminosyre til det neste, noe som skaper en svimlende mengde variabilitet.

Selvfølgelig forekommer aminosyrer ikke bare i proteiner. Det er mange flere som har forskjellige biologiske funksjoner, og noen aminosyrer produseres også abiotisk. Noen av disse abiotiske aminosyrene er ikke eksklusive for jorden. For eksempel Murchison meteoritt ble funnet å inneholde minst 75 aminosyrer, og det er til og med antatt at aminosyren glycin kan eksistere i det interstellare mediet.



Imidlertid kan abiotisk kjemi fortsatt bare utgjøre halvparten av de 20 genetisk kodede aminosyrene, og det er mange ubesvarte spørsmål om hvilken rolle aminosyrer spiller. Kan utenomjordisk liv bruke et annet sett med aminosyrer? Hvorfor valgte livet på jorden de bestemte aminosyrene? Hvilke andre aminosyrer kunne ha blitt valgt? Dette er alle åpne spørsmål innen astrobiologi, og et skritt mot å svare på dem er å måle mangfoldet av aminosyrene som kunne vært brukt for livet på jorden. [ Hva er livets ingredienser? ]

Definere aminosyrer

Markus Meringer, Jim Cleaves og Stephen Freeland begynte å ta dette trinnet ved å prøve å generere et syntetisk kart over sannsynlige aminosyrestrukturer som er like i størrelse og sammensetning som de 20 genetiske aminosyrene.

Frem til nå har modellering av disse strukturene blitt hemmet på grunn av kompleksiteten i å generere så mange forskjellige kjemiske strukturer. Ved å ta en annen tilnærming til problemet, kunne forskerne imidlertid tegne et foreløpig aminosyrekart.

De legger inn en molekylær formel i et dataprogram som hadde evnen til å visualisere forskjellige aminosyrestrukturer basert på denne formelen. Å beregne alle mulige aminosyrer er imidlertid en krevende oppgave for selv de raskeste datamaskinene. Også oppføringen av alle mulige aminosyrer begrenser ikke de som er av interesse for astrobiologi. Derfor var hovedutfordringen for forskerne faktisk å definere hva en aminosyre burde være, og de brukte forskjellige metoder for å gjøre dette.

Ulike varianter av aminosyrer

Måten å begrense de interessante aminosyrene er å utforske 'rommet' rundt de 20 genetiske aminosyrene. Dette kan gjøres ved å generere flere variasjoner av hver aminosyre ved å blande atomene rundt.

For eksempel har en isomer samme molekylformel, men en annen kjemisk struktur (eller arrangement i verdensrommet), så generering av isomerer av hver aminosyre vil gi 'isomerplassen'.

Denne isomerplassen varierer i størrelse for hver aminosyre, delvis avhengig av hvor mange atomer det er i syren. Derfor er isomerplassen størst rundt tryptofan , aminosyren med det største antallet atomer.

Murchison -meteoritten har minst 75 aminosyrer i seg.

Murchison -meteoritten har minst 75 aminosyrer i seg.(Bildekreditt: Wikimedia Commons)

Uklare formler

Isomerplassen er imidlertid fortsatt en nedre grense for antall potensielle aminosyrer som kunne ha vært tilgjengelig for bruk i proteiner. Isomerplassen sonderer bare området i umiddelbar nærhet av aminosyren, i stedet for å nå ut til naboene for å utforske mellomrommet mellom formler.

Derfor inkluderte forskerne ekstra kombinasjoner ved å vurdere minimum og maksimum antall mulige atomer for hvert kjemisk element. Trikset de brukte for å gjøre dette var å bruke en 'uklar formel'.

Dette betyr at i stedet for å fortelle programvaren at hvert atom av hvert kjemisk element må forekomme et visst antall ganger, forteller den uklare formelen programvaren å være litt mer vag, eller 'uklar', slik at elementet kan ha forskjellige antall atomer. For eksempel kan oksygen spesifiseres som et område fra 2 til 4, slik at programmet ville søke etter løsninger som inkluderte 2, 3 eller 4 oksygenatomer.

Ved hjelp av denne fuzzy formelen avdekket en skattekiste av flere aminosyrekombinasjoner. Imidlertid kan en enkelt uklar formel bare brukes til å utforske rommet rundt 15 av aminosyrene. En enkelt formel som kan inkludere alle 20 er fortsatt for mye for dagens datakraft å håndtere.

Biokjemiens palett

Det neste trinnet var å prøve å utforske aminosyreområdet utenfor isomerer mens du inkluderte de fem som hadde blitt neglisjert i forrige trinn. Dette betydde at flere uklare formler måtte brukes, men dette kunne ikke gjøres uten å klassifisere de genetiske aminosyrene i 10 forskjellige grupper.

'Det er mange måter å klassifisere de kodede aminosyrene i henhold til funksjonelle grupper og egenskaper,' sa Cleaves. 'Men hvis du holdt deg til bare å bruke de funksjonelle gruppene som ble observert i biologi og beregnet med det kjemiske mangfoldet, ville det ikke være nesten like bredt som det vi fant på, og det er klart at biokjemi hadde en stor palett å leke med under utvikling . '

Å bruke 10 uklare formler viste seg å være den mest vellykkede måten å utforske aminosyreområdet på. Denne metoden har ikke bare mindre behandlingstid enn å bruke en uklar formel, men den har fordelen av å inkludere variasjoner av alle de genetiske aminosyrene. [ Genetics by the Numbers: 10 Tantalizing Tales ]

Isomerrommet vist til venstre utforsker bare rommet umiddelbart rundt aminosyrene. Den andre figuren viser at bruk av den uklare formelen utforsker et mye større rom, men kan ikke ta hensyn til alle aminosyrer. Den siste figuren viser aminosyreområdet når flere uklare formler brukes.

Isomerrommet vist til venstre utforsker bare rommet umiddelbart rundt aminosyrene. Den andre figuren viser at bruk av den uklare formelen utforsker et mye større rom, men kan ikke ta hensyn til alle aminosyrer. Den siste figuren viser aminosyreområdet når flere uklare formler brukes.(Bildekreditt: Gjengitt med tillatelse fra Meringer et al. (2013). Copyright 2013 American Chemical Society.)

Kartografi av aminosyrer

Antall aminosyrestrukturer som genereres overgår alle tidligere estimater. Ved å bruke metoden med den enkelt fuzzy formelen produserte 120 000 plausible strukturer, og ved å bruke 10 fuzzy formler begrenser dette til et mer biologisk relevant sett med nesten 4000 aminosyrer. Dette viser at det var et svimlende antall alternativer som muligens kunne ha blitt brukt til å bygge det genetisk kodede aminosyresettet - og likevel er det bare 20.

De sammenlignet produksjonen av begge metodene med databaser med biologiske alfa -aminosyrer utover de 20 genetiske, så vel som med aminosyrer som finnes i karbonholdige meteoritter. Mange av aminosyrene i datamaskinbiblioteket forekommer også i naturen, og viser at datamaskingenerering av aminosyrer er en måte å identifisere potensielt interessante aminosyrer som kan brukes i proteiner. Det er til og med mulig at det er uoppdagede naturlige aminosyrer som har fått sin kjemiske struktur undersøkt av databasen.

Databibliotekene laget av teamet kan nå brukes som grunnlag for videre utforskning av jungelen av aminosyrer, og kan til slutt føre til forståelse av livets byggesteiner.

Forskningen ble publisert i novemberutgaven av Journal of Chemical Information and Modelingand finner du her: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ci400209n

Denne historien ble levert av Astrobiology Magazine , en nettbasert publikasjon sponset av NASA astrobiologiprogram .

Følg oss @Spacedotcom , Facebook eller Google+ . Publisert på guesswhozoo.com.