Tack vare kvantkemiska metoder har en tysk forskargrupp lyckats besvara en av biokemins äldsta frågor: Hur kommer det sig att 20 aminosyror utgör grunden för allt liv på jorden när de första 13 skulle ha räckt för att bilda det mesta av proteinerna som behövs?
Allt liv på jorden bygger på 20 aminosyror som bildar proteiner efter ritningar som finns i arvsmassan.
– Forskarna har varit förbryllade i årtionden över varför just dessa 20 aminosyror används för genetisk kodning, säger professor Bernd Moosmann vid Institutet för patobiokemi vid Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz.
– De nyaste sju aminosyrorna är särskilt svåra att förklara eftersom det går att bilda helt funktionella proteiner med de första och äldsta 10 till 13 aminosyrorna.
Forskargruppen – under ledning av Bernd Moosmann och kollegan Matthias Granold – antog att den stigande syrehalten i biosfären var startskottet för de sju nya aminosyrornas uppkomst. De kunde verifiera resultaten av sina beräkningar i biokemiska experiment, men de förstod att vissa funktionella aspekter också måste spela in, eftersom de nya aminosyrorna inte har några speciella fördelar när det gäller att bygga proteiner.
Högre reaktivitet skyddar mot oxidativ stress
Med hjälp av kvantkemiska metoder kunde forskargruppen avslöja den saknade pusselbiten – som visade sig vara högre kemisk reaktivitet. Efter en jämförelse av jordens 20 aminosyror med aminosyror från rymden, som kommit hit via meteoriter, stod det klart att de sju nya aminosyrorna systematiskt blivit mjukare och därför mer reaktiva, eller mer benägna att genomgå kemiska förändringar.
– Övergången från den döda kemin ute i rymden till vår egen levande biokemi här på jorden präglas av ökad mjukhet och därmed större reaktivitet hos byggstenarna, konstaterar Moosmann.
Frågan kvarstod dock varför nykomlingarna uppstått till att börja med. Vad exakt skulle de reaktiva aminosyrorna reagera med? Resultaten från experimenten visade att åtminstone några av dem, i synnerhet metionin, tryptofan och selenocystein, kommit till på grund av den ökande syrehalten i biosfären.
Svaret på gåtan är att mer syre på jorden ökade bildningen av fria radikaler som utsatte levande organismer och celler för massiv oxidativ stress. De nya aminosyrorna reagerade då med de fria radikalerna för att eliminera dem på ett effektivt sätt. De oxiderade aminosyrorna återhämtade sig snabbt efter reaktionen, samtidigt som de skyddade andra, mer värdefulla biologiska strukturer som inte kunde repareras lika lätt från skadorna som syret orsakade. De nya aminosyrorna säkerställde alltså att våra cellers avlägsna förfäder kunde överleva i jordens mer syresatta, men också mer oxiderande atmosfär.
– Med detta i åtanke kan syre beskrivas som den aktör som lade sista handen vid den genetiska koden, säger Moosmann.
Källa: Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Quantum chemistry solves the mystery of why there are these 20 amino acids in the genetic code. Pressmeddelande 2018-01-22.
Studien: Granold M, Hajieva P, Toşa MI, Irimie FD, Moosmann B. Modern diversification of the amino acid repertoire driven by oxygen. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Jan 2;115(1):41-46. doi: 10.1073/pnas.1717100115.
