Peptidit selviytyivät lähes puhtaassa rikkihapossa ja muodostivat omega-silmukoita

MIT:n tutkimus ei osoita, että Venuksessa olisi elämää. Se osoittaa jotain rajatumpaa mutta tieteellisesti merkittävää: Venuksen rikkihappopilviä jäljittelevissä laboratorio-oloissa tietyt lyhyet peptidit säilyivät useita viikkoja ja laskostuivat määrittyneiksi omega-silmukan kaltaisiksi rakenteiksi. Tällaiset muodot voisivat periaatteessa mahdollistaa molekyylien tunnistamista ja muita kemiallisia toimintoja. 4

Mitä kokeessa havaittiin?

Tutkijat altistivat lyhyitä peptidiketjuja lähes puhtaalle rikkihapolle ja seurasivat niitä liuos-NMR:llä eli ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla. Peptidit eivät kadonneet nopeasti eivätkä muuttuneet täysin sattumanvaraisiksi ketjuiksi. Sen sijaan tutkitut molekyylit pysyivät havaittavina viikkojen ajan ja omaksuivat toistettavia kolmiulotteisia muotoja, muun muassa omega-silmukoita muistuttavia rakenteita. 412

Omega-silmukka on peptidiketjun tiivis, silmukkamainen taite. Rakenteella on merkitystä, koska molekyylin toiminta riippuu paitsi sen sisältämistä atomeista myös siitä, miten atomit asettuvat suhteessa toisiinsa avaruudessa. Vakaa laskostuma voi synnyttää pinnan, joka soveltuu valikoivaan sitoutumiseen, molekyylien kokoamiseen tai kemiallisiin reaktioihin.

Tulos koskee tiettyjä peptidisekvenssejä, ei peptidejä yleisesti. Aiemmassa tutkimuksessa tarkasteltiin 20:tä homodipeptidiä eli kahdesta samanlaisesta aminohaposta koostuvaa peptidiä. Suurin osa niistä hajosi solvolyysissä muutamassa viikossa väkevässä rikkihapossa. Muutamat poikkeukset, kuten histidiini-histidiini ja glysiini-glysiini, säilyivät 98-prosenttisessa rikkihapossa vähintään neljä kuukautta. 1

Voiko vähäinen vesimäärä hidastaa hajoamista?

Peptidisidoksen hydrolyysissä vesi katkaisee aminohappoja yhdistävän sidoksen. Venuksen pilviä muistuttavissa rikkihappoliuoksissa vettä on hyvin vähän, ja jäljellä oleva vesi on voimakkaasti sitoutunut happoon. Tämä voi rajoittaa hydrolyysireittiä ja auttaa selittämään, miksi jotkin peptidit säilyvät erittäin happamasta ympäristöstä huolimatta.

Kyse on kuitenkin mahdollisesta kemiallisesta selityksestä, ei yleispätevästä säännöstä. Väkevä rikkihappo pystyy edelleen katkaisemaan peptidisidoksia, ja vakaus riippuu muun muassa molekyylin sekvenssistä, happopitoisuudesta, lämpötilasta ja altistusajasta. Aiemmat dipeptiditulokset kuvaavat eroa hyvin: monet sekvenssit olivat epävakaita, mutta pieni joukko vastusti hajoamista tietyissä oloissa. 1

Samanlainen, mutta niin ikään rajattu tulos saatiin peptidinukleiinihappoa eli PNA:ta koskevassa tutkimuksessa. Neljän PNA-heksameerin hajoaminen vaihteli sekvenssistä riippuen 0,4:n ja 28,6 prosentin välillä, kun niitä pidettiin 98-prosenttisessa rikkihapossa noin 25 celsiusasteessa 14 päivän ajan. Yli 80 celsiusasteessa ne hajosivat kokonaan solvolyysissä. 3

Mitä 800 megahertsin NMR paljasti?

Suurikenttäinen NMR ei ollut pelkkä selviytymiskoe. NMR-signaalien avulla voidaan seurata, säilyykö molekyyli kemiallisesti ehjänä, ja päätellä, miten sen atomit järjestäytyvät liuoksessa. MIT:n tutkimuksessa mittaukset viittasivat siihen, että peptidit säilyttivät rikkihapossa määrittyneet ja toistettavat laskostumat eivätkä olleet vain sattumanvaraisia ketjuja. 4

Tutkijoiden tulkinnan mukaan rikkihappomolekyylit muodostavat peptidin ympärille järjestäytyneen solvaatioympäristön. Liuotin saattaa siis auttaa järjestämään ja vakauttamaan ketjun muotoa tilanteessa, jossa vettä ei ole riittävästi. Tämä poikkeaa jyrkästi tutusta biologiasta: Maan proteiinit laskostuvat vedessä, ja vesi vaikuttaa niiden rakenteen muodostumiseen monin tavoin.

Havainto ei osoita, että peptidit kykenisivät täysimittaiseen proteiinien kaltaiseen katalyysiin, aineenvaihduntaan, lisääntymiseen tai muuhun kokonaisvaltaiseen biologiseen prosessiin. Se osoittaa valittujen pienten molekyylien säilymisen ja laskostumisen. Ne ovat tärkeitä edellytyksiä, mutta eivät todiste eliöstä.

Miten tulos jatkaa Venuksen pilvikemiaa koskevaa tutkimusta?

Peptiditutkimus liittyy kasvavaan kokeelliseen näyttöön siitä, ettei väkevä rikkihappo välttämättä tuhoa kaikkia Maan elämään liittyviä orgaanisia molekyylejä.

• Yhdessä tutkimuksessa 19 tutkituista 20 biogeenisestä aminohaposta joko reagoi vain vähän tai muuntui ainoastaan sivuketjunsa osalta, kun niitä pidettiin neljä viikkoa 81- ja 98-prosenttisessa rikkihapossa. Aminohappojen runko-osat säilyivät. 2
• Nukleiinihappojen emästen, kuten adeniinin, sytosiinin, guaniinin, tymiinin ja urasiilin, on raportoitu säilyvän yli vuoden ajan Venuksen pilvien kannalta merkityksellisissä väkevän rikkihapon oloissa huoneenlämmössä. 8
• Aiempi tutkimus osoitti samalla, että monet peptidisidokset ovat epävakaita. Säilyminen on siis valikoivaa, ei automaattista. 1

Yhdessä nämä tulokset muuttavat tutkimuskysymystä. Enää ei tarvitse kysyä ainoastaan, pystyykö Maan biomolekyyli selviytymään Venuksen kaltaisesta haposta. Voidaan myös tutkia, pystyvätkö useat molekyyliluokat säilymään riittävän pitkään vuorovaikuttaakseen, liittyäkseen yhteen, laskostuakseen ja toteuttaakseen hyödyllistä kemiaa.

Miksi laskostuminen on tärkeää elämän etsinnässä?

Monet biologiset toiminnot perustuvat molekyylin muotoon. Laskostunut peptidi voi tarjota valikoivan sitoutumispinnan tai luoda paikallisen kemiallisen ympäristön, jota sattumanvarainen ketju ei pysty muodostamaan. Jos vedetön liuotin voi vakauttaa tällaisia rakenteita, pelkkä nestemäisen veden puuttuminen ei ehkä riitä sulkemaan pois kaikkea monimutkaista kemiaa.

Tämä ei tee Venuksesta Maan mittapuulla elinkelpoista. Pilvikerrosten ympäristö on edelleen kemiallisesti äärimmäinen, ja laboratoriokokeissa käytetään yksinkertaistettuja olosuhteita. Todelliset pilvipisarat voivat poiketa kokeista koostumuksen, lämpötilan, veden aktiivisuuden, hivenaineiden ja fysikaalisen käyttäytymisen osalta. Tulokset laajentavat siis testattavien ympäristöjen joukkoa, mutta eivät vahvista Venuksen biosfääriä.

Seuraava askel: voiko PNA kuljettaa kemiallista informaatiota?

Yksi kiinnostava jatkotutkimuksen kohde on kaksijuosteinen peptidinukleiinihappo. PNA on tässä yhteydessä kiinnostava, koska se voi toimia DNA:n kaltaisena informaatiota kantavana polymeerinä. Sen käyttäytyminen väkevässä rikkihapossa riippuu kuitenkin voimakkaasti sekvenssistä ja lämpötilasta. Nykykokeissä tutkittiin lyhyitä yksijuosteisia PNA-heksameerejä ja mitattiin niiden osittaista säilymistä kahden viikon aikana huoneenlämmössä – ei periytymistä tai lisääntymistä. 3

Vaativammat kysymykset ovat, pystyykö kaksijuosteinen PNA muodostumaan, säilymään ja pariutumaan sekvenssille ominaisella tavalla happamassa ympäristössä. Myönteinen tulos vahvistaisi ajatusta molekyylien tunnistamisesta ja informaation varastoinnista rikkihappokemiassa. Sekään ei silti vielä osoittaisi elämää.

Mitä tämä merkitsee Venukselle ja eksoplaneetoille?

Venuksen kaasukehää tutkivat luotaimet ja tulevat mittaukset voivat selvittää, vastaavatko laboratorioissa käytetyt seokset todellisia pilvioloja. Tärkeitä mitattavia asioita ovat pilvipisaroiden koostumus, lämpötila, veden aktiivisuus, hivenaineet ja orgaaniset molekyylit.

Laajempi astrobiologinen opetus on menetelmällinen: elinkelpoisuutta ei tarvitse arvioida vain Maan kaltaisten planeettojen perusteella. Myös Venus-tyyppiset maailmat voivat ansaita huomiota, jos niiden kaasukehä tarjoaa liuottimen ja energianlähteen, jotka pystyvät säilyttämään, laskostamaan ja järjestämään monimutkaisia molekyylejä.

MIT:n tulos tekee tästä mahdollisuudesta aiempaa uskottavamman. Se on kuitenkin edelleen kysymys uusille kokeille ja planeettahavainnoille – ei löytö elämästä. 4