Proyecto universitario de química
Con el tiempo, la ribosa evolucionó gradualmente hasta convertirse en desoxirribosa, el ARN fue reemplazado gradualmente por ADN y el ADN se convirtió en el material genético de la mayoría de los organismos. Pero, ¿por qué la columna vertebral del ARN es la ribosa en lugar de otros azúcares? Algunas personas han intentado explorar este problema antes, pero no han encontrado una respuesta simple, universal y eficaz. Este problema nunca se ha resuelto.
Actualmente, existen dos escuelas de pensamiento sobre este tema. Una es la Escuela de Biología. Los biólogos creen que el primer paso no es crear ribosa, sino crear la columna vertebral de ARN original. Según esta escuela de pensamiento, el esqueleto original fue reemplazado gradualmente por ribosa. Pero la pregunta es ¿por qué se reemplaza por ribosa? La especificidad de la ribosa también necesita más explicación. Esta escuela de pensamiento generalmente cree que la ribosa puede promover la conformación del ARN.
La segunda es la Escuela de Química. En 2004, el famoso bioquímico y paleogenetista Steven? Steven Banner propuso por primera vez la hipótesis del borato y el artículo relacionado se publicó en la revista Science. Descubrió que la ribosa puede formar complejos relativamente estables con los boratos en comparación con la arabinosa, la xilosa y la lixosa.
Sin embargo, la limitación de la hipótesis del borato es que la reserva de boro en la corteza terrestre es demasiado baja para promover eficazmente este proceso de selección; el defecto de la hipótesis del silicato es que no puede probar la combinación de ribosa; y silicato. El compuesto es más estable que los otros tres complejos de pentasacáridos. También tienen el mismo problema, es decir, el complejo de enlace de valencia resultante es demasiado estable y no puede participar en la síntesis de nucleótidos.
Para este difícil problema que pocos académicos han abordado, el grupo de investigación de Wang Xiao de la Escuela de Química e Ingeniería Química de NTU ha retomado este “duro hueso”. Para comprender este resultado, primero debemos introducir la reacción de glicosilación. Generalmente se cree que la reacción de glicosilación es una reacción de síntesis de azúcar natural, que generalmente comienza a partir de moléculas de formaldehído, que pueden generar mezclas de monosacáridos o polisacáridos extremadamente complejas bajo la acción de un álcali.
Entre ellos, la ribosa no sólo tiene un rendimiento extremadamente bajo, sino que también es extremadamente inestable en soluciones alcalinas, lo que significa que no puede existir durante mucho tiempo, lo que dificulta naturalmente la producción de nucleósidos. Las limitaciones de la hipótesis anterior también incluyen que creen que la ribosa se origina a partir de reacciones de glicosilación. Para la hipótesis del borato, existe una pequeña probabilidad de que el borato con reservas muy pequeñas pueda encontrar ribosa con rendimientos muy pequeños. Los químicos continúan mejorando las reacciones de glicosilación en un intento de aumentar la producción de ribosa, pero los resultados no son los ideales.
Con este fin, el equipo de Wang Xiao propuso una nueva hipótesis más general. En este trabajo, fueron más allá de la reacción de glicación. En primer lugar, estudiaron el comportamiento de retención de varios monosacáridos en cromatografía iónica o cromatografía de intercambio de ligandos, inspirándose en técnicas modernas de análisis de azúcares. Al realizar un metanálisis de una gran cantidad de literatura en los campos de la química analítica, la fermentación, la oceanografía y otros campos, descubrieron un fenómeno importante: la ribosa tiene el tiempo de retención más largo entre todos los monosacáridos.
Esto es particularmente llamativo. Basándose en los fenómenos anteriores, creen que la selección natural de la ribosa en el entorno prebiótico probablemente esté determinada por el proceso de separación más que por reacciones químicas. Las propiedades especiales de la ribosa probablemente estén determinadas por su fuerte coordinación con los metales.
La columna de cromatografía de intercambio de ligandos contiene iones metálicos fijos, porque los iones metálicos cargados positivamente atraen el azúcar; a los átomos de oxígeno del azúcar les gusta combinarse con los iones metálicos, lo que se llama coordinación. Para otros azúcares, el efecto de coordinación puede no ser tan fuerte como para la ribosa. Wang Xiao concibió un material que puede absorber iones metálicos. Este material puede atraer azúcar a través de iones metálicos, enriqueciendo así la ribosa. Entonces pensó en Clay.
La arcilla es muy abundante en la corteza terrestre, y su principal componente es el aluminosilicato. Una de sus principales características es la adsorción o intercambio de iones metálicos. El caolín es la arcilla más común y uno de sus usos industriales es absorber iones de metales pesados. Con la arcilla y los iones metálicos, existe una "fase estacionaria natural" que puede adsorber selectivamente la ribosa. A partir de esta conjetura propuso un modelo de química prehistórica llamado "Arcilla Dopada con Metal (MDC)".
A partir de esta hipótesis, el equipo de Wang Xiao comenzó a utilizar experimentos para verificar esta conjetura. En su investigación, utilizaron varias arcillas que pueden adsorber metales divalentes y estudiaron metales como el cobre divalente y el hierro divalente. La base para el uso de iones metálicos divalentes es que se produjo un gran evento de oxidación en la Tierra hace unos 2.600 millones de años (después del nacimiento de la vida primitiva).
En la actualidad, se cree generalmente que el Gran Evento de Oxidación fue causado por cianobacterias.
Después del Gran Evento de Oxidación, apareció una gran cantidad de oxígeno en la tierra y pudieron aparecer metales en estados de alta valencia.
Inicialmente, el equipo de Wang Xiao investigó cuatro azúcares de cinco carbonos y descubrió que la arcilla adherida al metal adsorbía selectivamente ribosa, lo que significaba que la ribosa era la que más adsorbía en él. Además, también utilizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para simular los complejos de cuatro azúcares de cinco carbonos con materiales de arcilla y metal para estudiar más a fondo la estabilidad especial de las combinaciones de ribosa y arcilla-metal.
Luego probaron las combinaciones más comunes de arcillas e iones metálicos, como caolín, montmorillonita y mica, y descubrieron que la mayoría de los materiales arcillo-metal (MDC) adsorben selectivamente r, ampliando el experimento a cuatro diez mezclas. de carbono, azúcares de cinco y seis carbonos encontraron que la ribosa seguía siendo la más abundante en el MDC.
En el experimento, también utilizaron un avanzado sistema de microrreactor de flujo continuo, que contiene un microrreactor de lecho fijo, un conjunto de módulos de acero inoxidable muy precisos. Llenaron el material MDC en un lecho microfijo y lo utilizaron para simular el comportamiento de adsorción selectiva de la ribosa bajo lavado con agua. Se descubrió que el MDC aún podía adsorber más ribosa hasta el final del experimento de química de flujo. Wang Xiao compara este proceso con "hacer gárgaras con una piedra de almohada": la ribosa se adsorbe en la arcilla-metal ("piedra de almohada") y se lava con el flujo de agua ("flujo de enjuague bucal"), convirtiéndose en el único azúcar enriquecido, completando así el proceso natural. selección.
Finalmente, para verificar aún más el modelo MDC, intentaron agregar MDC directamente a la reacción de glicosilación. Los resultados muestran que para mezclas de reacción complejas, la ribosa sigue siendo el monosacárido C5-C7 más abundante en MDC.
Es decir, aunque el rendimiento de ribosa en una única reacción de glicosilación es limitado, la ribosa puede adsorberse y estabilizarse selectivamente en MDC y, en última instancia, enriquecerse. Para las "reacciones posteriores", probaron la reactividad de la ribosa adsorbida por MDC con varias bases y descubrieron que su actividad no era diferente de la de la ribosa libre.
También se rastreó la estabilidad de la ribosa adsorbida por MDC y se descubrió que la ribosa adsorbida todavía existía al menos seis semanas después. Esto demuestra que la ribosa adsorbida por MDC ha logrado un muy buen equilibrio entre estabilidad y reactividad, resolviendo estos dos problemas al mismo tiempo.
Además de la glicosilación, también estudiaron la fosforilación de nucleósidos en presencia de MDC y descubrieron que el rendimiento y la selectividad 5' de los nucleótidos correspondientes eran superiores a las condiciones óptimas informadas. En resumen, una vez producida la ribosa, se adsorberá y enriquecerá en el material arcilloso-metal, luego se glicosilará y luego se fosforilará para generar nucleótidos y finalmente formar ARN.
El equipo de Wang Xiao especula que el entorno terrestre rico en arcilla y metales puede haberse formado desde el Arcaico Tardío hasta el Arcaico Temprano. Durante este período, grandes cantidades de iones metálicos divalentes traídos por fluidos hidrotermales interactuaron con rocas ultrabásicas del fondo marino para producir metales arcillosos.
La vida primitiva nació a principios de la Era Arcaica. Este proceso no debería volver a ocurrir, porque a partir de la Era Arcaica Media apareció la tierra y el área del océano disminuyó, por lo que especularon que la probabilidad de arcilla-metal. La formación también disminuyó.
Este trabajo fue publicado en la revista Chemistry el 23 de septiembre de 2021, titulado “Plausible precursores de ribosa para la formación de ARN, separación dinámica y síntesis de nucleótidos basados en arcillas dopadas con metales” Selección biológica”. Zhao Zerun, estudiante de doctorado de 2020 en la Escuela de Ingeniería Química de NTU, es el primer autor del artículo, y el profesor asociado Wang Xiao es el autor correspondiente [1].
Esta hipótesis también está relacionada con los años de acumulación química de Wang Xiao. Se graduó en el Departamento de Química de la Universidad de Nanjing en 2003 con una licenciatura en Ciencias. Ese mismo año, fue a la Universidad de Pittsburgh para estudiar con el profesor Dennis Curran, un famoso químico organofluorado, y se doctoró en 2009. De 2008 a 2011 realizó una investigación postdoctoral en el laboratorio del profesor Stephen Buchwald, académico de la Academia Nacional de Ciencias y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Después de su beca postdoctoral, se desempeñó como profesor en la Facultad de Medicina de Harvard. A partir de noviembre de 2017, regresó oficialmente a la Universidad de Nanjing para enseñar.
Hablando sobre el futuro, Wang Xiao dijo que en el corto plazo, continuarán explorando varios temas en el "mundo del ARN", como si la reacción de glicosilación de ribosa y bases puede generar selectivamente purina N9. núcleos glucósido, o generar directamente nucleósido de pirimidina. Al mismo tiempo, enfatizó que debido a la falta de evidencia de "fósiles químicos", es difícil llegar a una conclusión en el estudio del origen de la vida y la gente sólo puede acercarse infinitamente a la verdad. Para que una hipótesis o teoría resista las pruebas, además de los problemas centrales que puede resolver, también debe seguir varios elementos: coherente con el entorno terrestre original, lógico y coherente con la biología moderna. Trabajarán duro para hacer estas cosas.
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Referencia:
1. Ze, Xiao Wang, Chemistry 23, (2021)
/science /artículos/ABS/pii/s 2451929421004642