Enzimleri taklit eden polimerler ve yaşamın başlangıcı
Dünya Yaşamı Bilimi Enstitüsü bilim insanları, erken Dünya'da kendiliğinden oluşmuş olabilecek küçük çok dallı polimerlerin modern biyolojik protein enzim işlevini taklit edebileceğini keşfettiler. Bu basit katalitik yapılar, hayatın başlangıcına hızlı bir başlangıç yapmaya yardımcı olmuş olabilir.
[BAA - Biyolojik Hareket ve Evrim]
Yaşam araştırmasının kökenindeki çabaların çoğu, biyolojik yapı taşlarının prebiyotik oluşumunu anlamaya odaklanmıştır. Bununla birlikte, erken biyolojik evrimin farklı kimyasal yapılara ve işlemlere dayanması mümkündür ve bunlar, zaman içinde kademeli olarak çağlar boyu evrimle değiştirilmiştir. Son zamanlarda, Japonya'daki Dünya-Yaşam Bilimleri Enstitüsü'nden (ELSI) kimyagerler Irena Mamajanov, Melina Caudan ve Tony Jia, bu olasılığı araştırmak için polimer bilimi, ilaç taşınımı ve doğal modelleri taklit ederek problemlere yanıt üretme alanlarına yoğunlaştı. Şaşırtıcı bir şekilde, çok dallı küçük polimerlerin bile etkili katalizörler olarak hizmet edebileceğini ve bunların yaşamın başlamasına yardımcı olabileceğini buldular.
Modern biyolojide, protein enzimleri, hücrelerdeki katalitik işin çoğunu yapar. Bu enzimler, sabit üç boyutlu şekiller oluşturmak için kendi kendilerine katlanan ve çift oluşturan amino asitlerin doğrusal polimerlerinden meydana gelir. Bu önceden oluşturulmuş şekiller, reaksiyonlarını katalize ettikleri kimyasallarla çok özel bir şekilde etkileşime girmelerini sağlar. Katalizörler, reaksiyonların normalde olduğundan çok daha hızlı gerçekleşmesine yardımcı olur, ancak reaksiyonun kendisinde tüketilmez, bu nedenle tek bir katalizör molekülü aynı reaksiyonun birçok kez olmasına yardımcı olabilir. Bu üç boyutlu katlanmış hallerde, katalizörün yapısının çoğu, etki ettiği kimyasallarla doğrudan etkileşime girmez ve sadece enzim yapısının şeklini korumasına yardımcı olur.
Bu çalışmada ELSI araştırmacıları, modern enzimler için gerekli olan aşırı dallanmış polimerleri (yüksek derecede ve dallanma yoğunluğuna sahip ağaç benzeri yapılar, bilinçli katlamaya ihtiyaç duymadan doğası gereği küresel olan) inceledi. Enzimler gibi aşırı dallanmış polimerler, katalizörleri ve reaktifleri konumlandırabilir ve kimyayı hassas şekillerde düzenleyebilir.
Yaşamın başlangıcı için güçlü aday moleküller: Aşırı dallanmış polimerler
Yaşamın kökenini araştırma çabalarının çoğu, modern biyolojik yapıların ve yapı taşlarının prebiyotik oluşumunu anlamaya odaklanmıştır. Buradaki motivasyon şu, bu bileşikler şimdi var ve bu nedenle çevrede nasıl yapılabileceklerini anlamak, nasıl ortaya çıktıklarını açıklamaya yardımcı olabilir. Bununla birlikte, yaşamın yalnızca bir örneğini biliyoruz ve yaşamın sürekli olarak geliştiğini biliyoruz, yani yalnızca organizmaların en başarılı varyantları hayatta kalıyor. Bu nedenle, modern organizmaların ilk organizmalara çok benzemeyebileceğini varsaymak mantıklı olabilir ve prebiyotik kimya ve erken biyolojik evrim, kendini yeniden üretmek için modern biyolojiden farklı kimyasal yapılara ve işlemlere dayanıyor olabilir.
Teknolojik evrimle bir analoji olarak, erken katot ışınlı TV setleri, modern yüksek çözünürlüklü ekranlarla aşağı yukarı aynı işlevi yerine getirdiler, ancak bunlar temelde farklı teknolojilerdi. Bir teknoloji, bazı şekillerde diğerinin yaratılmasına yol açtı, ancak diğerinin mantıksal ve doğrudan habercisi olması gerekmiyordu.
Biyokimyasal evrim için bu tür bir “iskele” modeli doğruysa, soru şu: Çağdaş biyolojik sistemlerde kullanılanların yanı sıra ne tür daha basit yapılar, modern yaşamın gerektirdiği aynı tür katalitik işlevleri yerine getirmeye yardım etmiş olabilir? Mamajanov ve ekibi, aşırı dallanmış polimerlerin iyi aday moleküller olabileceğini düşündü.
Ekip, üzerinde çalıştıkları aşırı dallanmış polimerlerin bazılarını, yaşam başlamadan önce Dünya'nın erken dönemlerinde mevcut olması makul olarak beklenebilecek kimyasallardan sentezledi. Ekip daha sonra bu polimerlerin, çinko sülfür nanopartikülleri olarak bilinen doğal olarak oluşan küçük inorganik atom kümelerini bağlayabildiğini gösterdi. Bu tür nanopartiküllerin kendi başlarına nadiren katalitik olduğu bilinmektedir. Mamajanov, bu çalışmada iki farklı aşırı dallanmış polimer iskelesi denediklerini, bunların çalışmasını sağlamak için bir çinko klorür çözeltisi ile bir polimer çözeltisini ve ardından sodyum sülfiti karıştırdıklarını aktardı. Sonuç olarak, kararlı ve etkili bir nanopartikül tabanlı katalizör eldesi sağlanmış oldu.
Ekibin bir sonraki zorluğu, bu aşırı dallanmış polimer-nanoparçacık hibritlerinin aslında ilginç ve katalitik bir şey yapabileceğini göstermekti. Küçük molekülleri parçalayan bu metal sülfit katkılı polimerlerin özellikle ışık varlığında aktif olduklarını, bazı durumlarda reaksiyonu 20 katına kadar katalize ettiklerini buldular. Mamajanov, şimdiye kadar sadece iki olası yapı iskelesini ve sadece bir katkı maddesini araştırdıklarını, ancak şüphesiz ki keşfedilmeyi bekleyen daha birçok örneğin olduğunu belirtiyor.
Araştırmacılar ayrıca bu kimyanın "Çinko Dünyası" olarak bilinen bir yaşamın kökeni modeliyle ilgili olabileceğine işaret ediyorlar. Bu modele göre, ilk metabolizma, çinko sülfür mineralleri tarafından katalize edilen fotokimyasal reaksiyonlarla yürütülüyordu. Bazı modifikasyonlarla, bu tür aşırı dallanmış yapı iskeletlerinin, modern biyolojik nitrojen fiksasyonunda yer alan önemli olanlar da dâhil olmak üzere, demir veya molibden içeren protein enzimlerinin analoglarını incelemek için ayarlanabileceğini düşünüyorlar. Mamajanov, yapılan araştırmaların başka soruları da beraberinde getirdiğini söylüyor. Yaşamın veya yaşam öncesi bu tür bir yapı iskelesi sürecinin kullanıldığını varsayarsak, yaşam neden nihayetinde enzimlere karar verdi? Doğrusal polimerleri dallı olanlara göre kullanmanın bir avantajı var mı? Bu geçiş nasıl, ne zaman ve neden gerçekleşti?
Kaynaklar:
Çeviri: https://scitechdaily.com/these-enzyme-mimicking-polymers-may-have-helpe…
“Protoenzymes: The Case of Hyperbranched Polymer-Scaffolded ZnS Nanocrystals” by Irena Mamajanov, Melina Caudan and Tony Z. Jia, 13 August 2020, Life. DOI: 10.3390/life10080150