Orienteringskurs Astrobiologi Del 4

Jordens ungdom 4,6 miljarder år före nutid Jorden bildades, het planet, tät atmosfär, maffig växthuseffekt 4,4 miljarder år före nutid första hav, jordskorpan bildades under havet 4,4 - 3,9 miljarder år f. n. många meteorit-och kometinslag jorden fortfarande het “Hadean period” Inte så mycket information geologiska formationer från denna tid omvandlas senare

De äldsta bergarterna-tecken av liv ? Isua-berg (sedimenter) innehåller korn som visar högre andel av 12C än omgivningen. Tecken av liv ? Aktiverings- energi 12C-Glucos 12CO2 13C-Glucos 13CO2 Aktiveringsberg är lite mindre vid 12CO2: inbyggs preferentiellt i planter Forskarna hävdar att det finns också abiotiska väger för 12C- anrikning (tex Fischer-Tropsch) Isua-formation Grönland (ålder 3.8 miljarder år)

Första otvivelaktiga tecken av liv - sedimenter bildad av biofilmer av mikroorganismer (t.ex. alger) - äldsta stromatoliter kan vara 3.5 miljarder år gamla - man trodde att stromatoliter orsakas bara av en fåtal arter  stämmer kanske inte Stromatoliter Gamla stromatoliter Stromatolitkultur i Australien

Hur kunde de första levande organismer ha sett ut ? Under nutiden: 3 cellarter Eukaryoter Alla flercelliga (djur, högre planter, svampar), men också några encelliga organismer Eukaryoter (utbildad cellkärna) Bakterier Prokaryoter (ingen cellkärna, bara DNA-slinga) Arkeer (Archaea) har många egenskaper gemensam med eukaryoter

Prokaryotisk cell

Prokaryoter

Eukaryoter - utpräglad cellkärna - cellmaterialet sitter inom Råmaterialer kommer i cellan Sopmaterial lämnar cellen - utpräglad cellkärna - cellmaterialet sitter inom cellmembranen - cellen interagerar med omgivningen - komplex biokemi äger rum - alla funktioner kon- trolleras av genetisk information Energi lämnar cellen Energi kommer in i cellen

Eukaryotisk cell Nukleus: DNA i kromosomer Mitokondrier: producerar energi Endoplasmatisk reticulum: syntes och smältning av fettsyror och proteiner, ribosomer finns där Golgi-komplex: proteincessering och transport Lysosomer: nedbrytning av sopmaterial Kloroplaster fotosyntes (bara i planter) Samma byggnadsmönster i alla eukariotiska celler Finns det en gemensam förfader ?

Last Universal Common Ancestor Gemensamma egenskaper av alla celler - cellmembraner - genetisk kod - översättningsmekanism (m-RNA, t-RNA) - alla funktioner kon- trolleras av genetisk information Last Universal Common Ancestor (LUCA)

Gemensamma gener Gener: Sequenser av basparer i DNA/RNA - 283 gener i nästan alla eukaryoter, 24 i Bakterier 145 i arkeeer (Archeae) - ju närmare två arter står varandra, desto flera gener överensstämmer - information kan användas för att bedöma närheten av 2 arter (schimpanser och människor har 98% liknande gener) - möjligt att rekonstruera generna av LUCA

Gemensamma gener osäkra Lateralgentransfer (mellan olika arter efter separation i träden gör bestämning av LUCA-gen svårare)

Problem med LUCA-hypotesen - 2 olika membrantyper i celler: isoprenoidmembraner i arkeer och fett(lipid-)membraner i bakterier och eukaryoter Yttervärlden Membranprotein Fosfolipider Cytoplasma - möjlig massiv gentransfer i tidiga celler (hade kanske permeabel cellmembran) - kanske var generna inte lokaliseras i bestämda organismer, men interagerade med varandra

Egenskaper av membraner med korta kolkedjor - Membraner med korta kolkedjor ~10 kolatomer släpper små enheter igenom (aminosyrer, nukleobaser), men är genom- trängliga för polymerer - polymerer (proteiner, DNA, RNA) kunde hållas fast i cell-plasman och aminosyror och nukleobaser kommer in som efterskott - de första cellerna kunde bildas på detta vis Proteiner, DNA Aminosyror, nukleobaser

Isoprenoid- versus lipidmembran förgreningar Isoprenoid- membran Vilken membrantyp hade LUCA ? Isopren

”Chicken and egg problem” DNA/RNA proteins - för translation av DNA via RNA till proteiner krävs proteiner RNA-polymerase, ribosomer - Proteiner syntetiseras av ribosomer från RNA (DNA) mall Translation

Teori: Första ”genombrottsorganism” - första kodering av proteiner med RNA - mycket primitiv, nästan slumpaktig, många ”fel” - men kan utveckla sig genom Eigen-kretsen Naturlig variation Darwin-selektion Nya funktioner utvecklas Eigen krets Darwin-selektion Ökande nogrannhet av translation Större genomer

Hur kan dessa organismer ha sett ut ? Virus kunde ge svar: - har ibland bara en RNA-sträng med 3500 nukleobaser - koderar 3 proteiner: replikase (för RNA replikation), maturase (interaktion med värdscellen) och skalprotein - virus lever i område (värdscell) var alla byggstenar (aminosyror, nukleo- baser) är närvarande - genombrottsoranismen kunde ha levat i en liknande omgivning

Vad hände före ”genombrottsorganismen” - proteiner kan inte replicera sig själva - DNA kan inte funka som enzym - RNA kan ha vissa enzymegenskaper, det finns s. k. ribozymer - kunde kanske replicera sig själv - före första RNA-proteinorganism kunde en RNA-organism ha existerat. Hammarhead-ribozym

RNA-världen - följd av baser bestämmer strukturen av RNA molekyler (och i följd ribozymer) - RNA molekyler kan kopiera sig själv (inga proteiner närvarande) - några ribozymer fortfarende kvar i eukaryoter, mindre i prokaryoter - minsta naturliga ribozymer har bara 40 nukleobaser (artificiella 29)

Problem - byggstenarna (nukleotider måste vara närvarande) - fanns det cellmembraner ? (sparande av polymerer) - nuvarande ribozymer har inga polymerisationsfunktioner (polymerisation utgörs av proteiner) Negativt laddad Nukleotid RNA

Var kommer RNA polymerer från ? - lerpartiklar har oftast positivt laddade joner absorberad på (negativ laddade) ytan - positiv laddade joner tilldrar sedan nukleotider, polymerisation kan händer - annan möjlighet: mycket kalla salt- lösningar. Negativa joner Montmorillonit lerpartikel

Varifrån kommer energin för polymerisationen ? - i moderna livet från klyvning an P-O bindningen i trifosfater Bindning av 5’-C-atom av en ribosmolekyl till 3’-C- atom av en annan. Också reaktiv Problem: 2’-OH gruppe på ribos kan också reagera med fosfat (inte i DNA)

Hur bildas nukleotider ? - från nukleosider och fosfat - nukleosidproduktion inte hel klarlagt - möjligen via ribosfosfat eller ribos + HCN (Problem: rätt kiralitet) Adenin Nukleosid b-ribos Anomer C-atom Nukleotid

Annan möjlighet RNA kanske inte första biopolymer PNAs (peptid nucleic acid) (akiral !) Threose nucleic acids (TNA) bara 2 OH grupper ! RNA bildas av kopiering fran dessa polymerer och sedan slog igenom genom Darwinselektion

Sammanfattning av problem med RNA-organismer och RNA-världen - beroende av omgivning för byggstenar - hur gick urvalet av komponenter till - bildning av nukleotide och polymerer - homokiralitet - Hur bildas celler ? - ribozymer är dåliga på polymerisation - instabilitet - hur växer de fram till tillräcklig storlek - hur bildas en tillrävcklig mängd av RNA organismer att de kan överleva och vidareutvecklas ? - var kunde de leva ?

Var kunde RNA-organismer existera ? - Polymerisation kräver vatten - nucleotider är negativt laddade - Katalysatorer (lera) kunde ha underlättad polymerisationen Life on the beach

Var kunde RNA-organismer existera ? “Porous black smokers”

Porösa ”black smokers”

Habitat för RNA-organismer -porer i porösa “black smokers kunde utgör de första celler utan membraner - annan möjlighet: mycket kalla lösningar polymerisation lättare kalla och heta områden uppen- barligen fördelaktiga kan organismer leva där ?

primitivea proteiner för att kopiera RNA Vägen till liv Eukaryoter Prokaryoter LUCA DNA genomer Riborgis eigensis: antagen organism med genetisk kod och genetisk information primitivea proteiner för att kopiera RNA RNA värld (RNA, proto-ribosomer, ribozymer) Prebiotisk kemi

Tidtabell av vägen till liv Tidsskala: miljarder år före nutid